Phantom Detective xoay quanh chàng thám tử Hong Gil Dong (Lee Je Hoon), người điều hành một văn phòng thám tử bất hợp pháp cùng cô chủ tịch họ Hwang (Go Ara). Theo ý nguyện của bố Chủ tịch Hwang, họ cùng nhau truy bắt những kẻ phạm tội đang lẩn trốn. Hong Gil Dong có thể tìm ra bất kì ai chỉ trong vòng chưa tới một giờ đồng hồ, nhưng riêng với tên tội phạm Kim Byung Duk (Park Geun Hyung), hắn ta đã ẩn náu thành công suốt nhiều năm qua. Kim Byung Duk là kẻ đã giết mẹ của Hong Gil Dong. Kí ức của Hong Gil Dong bắt đầu từ năm 8 tuổi khi mẹ của anh bị sát hại.