《绣春刀2》的剧情是作为《绣春刀》的前传。

电影一开始，主角沈炼作为萨尔浒之战明军的幸存者，救下了即将被后金兵斩杀的陆文昭和郭真。八年后，已成为锦衣卫沈炼恰巧碰上了一桩命案，死者正是八年前和自己一起从死人堆中爬出的郭真，他此时已经是东厂的太监，因此这桩案件非同小可，但也因此，同僚凌云铠闻风而至，虽然在沈炼的的坚持下，凌云铠没能参入这场大案，他却随即报复，记下了沈炼的下属殷澄的酒后失言，迫使沈炼手刃下属，两人也就此结仇。

正巧此时北镇抚司接到命令，有一个叫“北斋”的人写了一些辱蔑阉党的文章，命令锦衣卫除掉此人。虽然这个任务归到凌云铠，但由于沈炼喜欢收藏北斋的画作，因此出于好奇他也一同前往，没想到的是，这个北斋竟然是和他有过一面之缘的女子，因为不满凌云铠玷污北斋，加上之前两人的恩怨，最终沈炼手刃凌云铠。

令他没想到的是，凌云铠其实是魏忠贤的亲属，因此东厂从南京的南镇抚司调来了锦衣卫裴纶调查，裴纶是殷澄的好友，他误认为沈炼是因为一己之私杀了殷澄，所以在调查中对沈炼多有刁难。然而沈炼也遇到了麻烦，北斋将他杀了凌云铠的事告诉了她的同党，这些同党中有一个武艺高强的刃名叫丁白缨，她迫使沈炼去烧掉了锦衣卫的案牍库。

就在沈炼即将烧毁案牍库之时，他忽然起疑，联想到最近的大案，也就是天启皇帝离奇落水之事，他感到事情并不简单，经过一番翻找，他最终发现监造天启皇帝所乘宝船之人，正是已死的郭真。

当案牍库付之一炬之后，沈炼也就由此成为了这件事除了幕后黑幕以外唯一的知情人。他向丁白缨提出要用自己手里的情报交换北斋，无果回家后，发现北斋和裴纶都在自己家中，不过两人目的相异。裴纶认定沈炼就是幕后的黑手，然而当他向陆文昭报告的时候，却惨遭陆文昭的黑手，原来陆文昭其实也是丁白缨的同党。重伤的裴纶所幸得沈炼和北斋所救，通过和北斋与裴纶的谈话，沈炼推断出了真正的幕后黑手，试图杀害天启皇帝之人，正是皇帝最亲爱的同胞弟弟信王。虽然沈炼见到了信王，但是令他没有想到的是，信王为了自己的阴谋不会暴露，而决定除掉北斋。自知也自身难保的沈炼、裴纶只得带着北斋出逃，但是陆文昭和丁白缨随机追击而来，在一番激战之后，信王派来的追兵又随机杀出，最终只有沈炼一人活了下来成为了俘虏。而天启皇帝也在此时病逝，一直深谋远虑的信王假装自己收到了魏忠贤的摆布登上了皇位，但是立刻就解除了魏忠贤的一切权力。