首先要指出的一點是，如果沒看過《無間道I、II、III》中的任何一部，都不可能完整了解和領會影片的精彩。三部影片的故事結構方法和敘事順序都不一樣，其中《無1》和《無2》採用了順序講述故事的手法，情節直線發展；但是從時間順序來看，《無2》的故事應該發生在《無1》之前，中間還有些細節互相有關聯；而《無3》則是有兩條情節線索同時進行，一是在《無1》故事的前6個月，一是在《無1》故事結束後的10個月到1年之間。兩條線索同時展開，最後又收在一起，將整個《無間道》的故事做一終結。
由於其中有很多相互交錯的情節容易叫人產生錯誤的理解，這裏便來一個“順序播放”。
性格控制命運，命運決定人生。你的過去建構你的現在，你的現在導向你的未來。
在90年代初，劉建明（陳冠希劉德華）還是黑幫小頭目韓琛（曾志偉）手下的一個馬仔，因爲暗戀韓琛的老婆Mary（劉嘉玲），甘願被Mary利用去暗殺韓琛的老大倪坤（張同祖），並心甘情願的被韓琛安排到警察學校，以便日後到警隊做臥底。同時，韓琛和警察局的黃志誠（黃秋生）保持着友情。黃想利用韓來對付，但是韓出於對主人的忠心不願意答應黃，於是黃想出了另外一招，他在警校挑中了陳永仁（余文樂梁朝偉），利用陳永仁是已死黑道頭目倪坤的私生子這層關係叫他打入倪家做臥底。於是陳永仁被警校藉機開除了，本來那年警校最優秀的學生（俗稱“銀雞頭”）應該是陳永仁的，因爲他的離校，當年的優秀生變成了楊錦榮（黎明）。陳永仁離校的時候與楊錦榮擦肩而過，這是他們的第一次見面。
倪坤死後，其子倪永孝接掌權位，倪永孝深知“復仇是一盤適合冷喫的佳餚”的道理，他首先穩住原來倪坤的手下“四大家族”，並開始調查家族內部的奸細，但是他對自己的兄弟陳永仁始終沒有防備。表面上看暫時風平浪盡，實際卻暗藏殺機。黃志誠爲了剷除倪家黑社會勢力，採用非常手段，利用和韓琛的交情來離間倪永孝。事情敗露後，倪永孝利用黃志誠與Mary在酒店密謀的錄像帶來威脅黃志誠，更打算利用叫韓琛去泰國與泰國人交易毒品的機會在泰國除掉韓琛，但韓琛卻躲過一劫被迫逃亡。倪永孝在黃志誠的汽車內安放炸彈，沒想到黃志誠的好友兼警局同事陸啓昌（胡軍）成了替死鬼。
倪永孝事業一帆風順，社會地位日漸提高。野心勃勃的他決定將五大頭目一舉殲滅，令自己安枕無憂。一夜之間，曾經背叛家族的四大頭目同時被殺，韓琛亦在泰國受襲下落不明。霎時全城一片腥風血雨，驚心動魄。
1997年，韓琛重出江湖。原來當年他在槍口下逃過大難，一直與傻強等人潛伏於泰國清邁。黃志誠找到韓琛，二人尋求合作。韓琛答應作爲污點證人回港指證倪永孝當年所犯罪行，令其社會地位一夜崩潰，各方再度激烈交鋒。陳永仁及劉建明亦因而被逼重拾臥底身份。
韓琛經泰國一役已性情大變，比倪永孝更不受控。黃志誠知大錯已成，唯望未來可拘捕韓琛，親手解除自己種下的禍根。陳永仁繼續不見天日的臥底工作，更因而與多年女友May（傅嘉莉蕭亞軒）鬧翻，黯然分手；而劉建明則重新受控於韓琛，卻遇上失戀鬧事的少女Mary（趙頌茹鄭秀文），這個名字令他陷進回憶。此時正值香港迴歸，新時代經已來臨。
轉眼到了2002年，黃志誠和韓琛已經從暫時的合作關係變成了敵對關係，黃對韓步步緊逼，意圖徹底摧毀韓的社團勢力，韓琛爲了拓展事業，把觸角伸到內地，他與內地黑社會勢力接觸，與一個背景複雜的內地商人沈澄（陳道明）往來頻繁。沈澄同時還與已經成爲警局保安部高級督察的楊錦榮有來往，種種跡象表明楊錦榮似乎也是韓琛派入警局的臥底。
黃志誠得知韓琛將與沈澄進行一次軍火交易，便佈置警力準備行動，可是行動卻被楊錦榮命令取消。韓琛也在前往交易途中臨時決定由陳永仁代替前往。交易時發生槍戰，陳和沈雙雙受傷，此時楊錦榮趕來，三人才相互知道彼此的真實身份，原來他們都是警方潛入黑社會的臥底，楊錦榮和沈澄成了除黃志誠之外另外知道陳永仁真實身份的人。而韓琛臨時改變決定的目的無非是用陳永仁的命去證實沈澄的身份。
黃志誠發現陳永仁的暴力傾向越來越嚴重，建議他去看心理醫生，於是陳永仁認識了李小姐（陳慧琳），開始接受她的治療，在一次催眠過程中，陳永仁說出了真相，而兩人的關係也由此發生了微妙的變化。
2002年，3月份一個晚上，尖沙咀警區，重案B隊根據臥底提供的情報，獲知一批毒品快將交收。配合CIB的支援，重案B隊已經鎖緊緊目標人物韓琛，他過往曾經多次逃脫警方的羅網。結果雙方的情報也被泄漏，警方行動失敗，毒品交易也不成功，全數被倒入海中，雙敗而回，暴露了雙方均有臥底潛伏的事實，引發兩方面清除內鬼的決心。
韓和黃的矛盾公開化了，黃志誠一方面要保護陳永仁的身份，一方面還要提防來意不明的楊錦榮。他終於遭到了韓琛的毒手以身殉職。劉建明設計殺死了韓琛，準備洗清自己重新做人。知道陳永仁身份的警校校長和黃志誠都死了，而楊錦榮和沈澄限於特殊身份又不可能爲陳作證，陳永仁只好自己來警局說明身份，他無意中發現接待他的劉建明正是韓琛派在警局的臥底便匆匆離開。
陳與劉在警局天台上攤牌，劉的手下大B趕來，陳在挾持劉走進電梯的時候被大B擊斃，原來大B也是韓琛派在警局的臥底。當劉建明從大B口中得知楊錦榮和內務部已經開始對警局內部的黑社會臥底開始調查的時候，便毫不猶豫的開槍擊斃了大B。在內部調查時劉建明聲稱大B是黑社會的臥底，是大B挾持並殺害了陳永仁，而後劉又擊斃了大B。因爲此時心理醫生李小姐在整理警校校長的遺物時發現了可以證明陳永仁身份的文件，於是劉建明的證詞被採納。在陳永仁死後6個月，他被恢復名譽並安葬在黃志誠的墓旁。
但是事情並沒結束，因爲受調查，劉建明被調離內務部來到庶務部，此時警局中楊錦榮已經成爲明日之星，劉建明也和女友Mary分手。劉建明被調回內務部頭一件要做的事情就是要查清楊錦榮的真正身份，爲了徹底洗清自己他勢必要利用自己的便利條件除掉楊錦榮這個威脅，楊錦榮的一個手下在調查警察總部自殺案和一連串韓琛的臥底失蹤、被殺事件引起劉建明的注意。劉建明在保安部、尤其在楊錦榮的辦公室安放了監視器，還在楊錦榮的汽車安裝了跟蹤器，通過跟蹤他發現楊錦榮和沈澄依然保持着聯繫。爲了清除對自己不利的證據，劉接近李小姐，伺機偷入診所偷取電腦中陳永仁的病歷資料。
隨着行動的深入，劉建明越來越難於控制自己，其怪異的舉止經常被同事看見。一次他偷入楊錦榮的辦公室終於發現了一盤可以“洗清”自己的錄音帶，他帶領手下衝進楊的辦公室，在播放錄音時人們發現那卻是劉建明和韓琛的電話錄音。原來此時的劉建明已經精神分裂了，他把自己幻想成陳永仁，而把楊錦榮當成了自己！沈澄趕來表明了其內地公安的身份，在幾方持槍相持中，楊錦榮不幸殉職，被安葬在黃志誠、陸啓昌、陳永仁、羅雞的墓旁。劉建明吞槍自盡未遂，成了一個廢人將在醫院中終了一生。
在影片結尾，李小姐的手機收到劉建明的圖象信息，在這個信息裏，劉建明對李小姐說：“我一定會把劉建明繩之以法”……