一名游走黑白两道之间的男子迈克尔·马克斯从昏迷中醒来，发现他的脖子上戴着一个带有尖刺的面具设备，而旁边的录像中的木偶（英语：Billy the Puppet）告知他唯一逃生方法是要用身边的手术刀挖出他的右眼珠、以拿到被塞入眼睛后方的钥匙解锁。然而麦可最后无法下手，在一分钟时限到后面具盖上而一命呜呼。

警方寻获麦可的尸体后，资深警探埃里克·马修斯得知死者是自己的线人。处于离婚危机的埃里克不久前跟儿子丹尼尔发生争吵，在搭档凯莉的请求下答应调查，陪同SWAT队长瑞格合作攻进凶器面具制造地的钢铁厂。众人抓获因脑癌而坐轮椅的“竖锯”约翰·克莱默，但约翰为众人展示一系列显示器，画面中显示八个人被囚禁在某处，当中包含丹尼尔。惊慌的埃里克开始质问他的儿子在哪，约翰称这是他为埃里克准备的游戏，考验埃里克能否平静地跟他坐在一起聊天，称他只需要坚持到显示器旁边的计时器归零，他便会发现丹尼尔在“一个安全的地方”。

显示器另一边游戏中除丹尼尔以外包括七名受害人：葛斯、乔纳斯、泽维尔、欧比、劳拉、爱迪森，以及曾经死里逃生的阿曼达（英语：Amanda Young）。富有经验的阿曼达最先找出录音，录音声告知说整间屋子扩散着致命毒气，使他们每人仅能存活两小时，唯一解救方法则是查找藏在屋子各处的解药；而其中一枚解药位于该房间中央的保险箱里，需要靠一系列密码才能打开。当中最冲动的泽维尔无视警告，强行用录音机旁的钥匙开门，不慎转动门的另一边被索具机关固定的左轮手枪，因此害死透过窥视孔往外看的葛斯。其他人决定服从规则，但却最后都以失败告终。欧比爬进火炉中不慎困于其中被活活烧死，而泽维尔更是为了自保，将阿曼达推进一个装满毒品针头的洞里查找打开解药门的钥匙，阿曼达虽然最终帮他找到钥匙，但仍然超过时限使门被锁死，两度失去解药的泽维尔决定自求多福。

约翰开始对埃里克讲述自己成魔的起因，源于他被确诊罹患脑癌末期，一次试图靠撞车自杀来结束生命时却侥幸生还。这一生死经历使他赫然领略到生命的意义，因此选择在他生命的最后阶段，设计这些相似的游戏来让一些“不在乎生命的人”体验到生命的价值。但埃里克一心只在乎儿子的安危，耐不住性子之下放弃和他的谈话。在凯莉的建议下，埃里克将约翰的一系列机关设计图全部撕碎，但约翰完全不为所动，持续嘲讽埃里克的自私招致家庭破碎。这时，警方技术小组前来追查显示器信号来源，约翰同时为众人公布一系列警方文件，而每张资料都显示在毒气屋中进行游戏的受害者案底，共同点则是他们都曾被埃里克栽赃嫁祸而坐冤狱，约翰耻笑说这些人一旦得知丹尼尔是埃里克的儿子，丹尼尔就性命难保。

泽维尔返回起点房间，从葛斯尸体的头部后方发现标记着颜色数字，领会保险箱密码线索后直接杀死乔纳斯，开始沿路在尸体上找密码。时间流逝让吸入大量毒气的众人虚弱不堪，劳拉最先支撑不住而倒地毙命，但死前找到“X”标记的镜框。而镜框背面贴着一张丹尼尔和埃里克的父子合照，爱迪森得知丹尼尔的身份后决定弃他不管，随后找到放置解药的机关盒，没多想就将手伸进去拿。但最后不但解药被毁，她的两只手臂都卡在刀片中拔不出来、流血不止，泽维尔前来查看她脖子后的密码后，同样弃之不管而任由她在原地等死。丹尼尔和阿曼达跑回起点房间躲避他，碰巧找到一道地下暗门进入地道，一路来到一间躺着两具腐烂尸体的浴室。泽维尔追上来后受阿曼达提示他自己脖子后面也有密码，迫使他割下脖子后方的一块皮查看，而丹尼尔趁机用地上的锯子将泽维尔割喉杀害。

眼看儿子性命受威胁，埃里克失去理性而暴殴约翰，约翰只好提示埃里克按下按钮，使他们两人身在的升降机直接下降至车库，两人开车直接赶往毒气屋。当技术小组查到信号来源后，瑞格率队赶去指定屋子却发现空无一人，而房间内摆放的一系列显示器以及设置重复播放的录影机，揭示整体毒气屋游戏从头到尾其实是事先录制、并非实况转播；甚至早在警方进入工厂前就已结束。这时，计时器时限归零，凯莉身边的一个保险柜自动打开，里面坐着平安无事、戴氧气罩呼吸的丹尼尔。不知自己中计的埃里克走进毒气屋查找儿子，顺着尸体一路跟到地下浴室后，被躺在浴缸中一位戴猪面具的人弄昏。

埃里克醒后发现他同样被铐在浴室里，一旁的录音机中放出阿曼达的声音，其表示自己自从上次死里逃生后，便得到“救赎”而成为约翰的门徒兼共谋，并要在约翰死后继续他的工作。阿曼达最终现身，将孤立无援的埃里克关入浴室，作为他当初陷害自己入狱的报复。坐在外面车中鼻青脸肿的约翰，因完美项目成功而露出一丝笑容。