Ateşle Oynayan Kız, Mikael Blomkvist ve Lisbeth Salander'ın İsveç'te kız çocuklarına yönelik bir istismarı araştırırken girdikleri tehlikeli takibi anlatıyor. Mikael, Milenyum dergisinde çalışırken genç bir gazeteciden gelen ihbarı ciddiye alır ve iz sürmeye başlar. Araştırma onu karanlık bağlantılara, kapalı kapılar ardında yürüyen bir düzene ve peşini bırakmayan yeni tehditlere götürür. Lisbeth, kendi yöntemleriyle izleri takip ederken, Nils Bjurman ile geçmişten gelen hesabı da yeniden karşısına çıkar. Bu sırada Mikael'in yolu Erika Berger ve Annika Giannini ile kesişir, her biri soruşturmanın başka bir ucunu açar. İlerledikçe dosya büyür, izler sertleşir ve ikili kendilerini tehlikeli insanların hedefinde bulur.