En 1954, le marshal Teddy Daniels et son coéquipier Chuck Aule sont envoyés sur l'île de Shutter Island, dans un hôpital psychiatrique où sont internés de dangereux criminels. Une fois arrivés, ils doivent enquêter sur la disparition de la patiente Rachel Solando. Celle-ci semble avoir disparu d'une chambre fermée à clef.