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Harriet Vanger (Moa Garpendal) desapareceu há 36 anos, sem deixar pistas, em uma ilha no norte da Suécia. O local é de propriedade exclusiva da família Vanger, que o torna inacessível para a grande maioria das pessoas. A polícia jamais conseguiu descobrir o que aconteceu com a jovem, que tinha 16 anos na época do sumiço. Mesmo após tanto tempo, seu tio Henrik Vanger (Christopher Plummer) ainda está à procura e decide contratar Mikael Bomkvist (Daniel Craig), um jornalista investigativo que trabalha na revista Millennium. Bomkvist, que não está em um bom momento por enfrentar um processo por calúnia e difamação, resolve aceita a proposta e começa a trabalhar no caso. Para isso, ele vai contar com a ajuda de Lisbeth Salander (Rooney Mara), uma investigadora particular incontrolável e anti social.