Visto através do prisma do analista de inteligência fictício da CIA Maya Harris, Zero Dark Thirty chronicles a caça ao homem de uma década para o famoso líder da Al-Qaeda Osama bin Laden, que perpetrou tanto os ataques de 11 de setembro como os atentados a bomba da embaixada dos EUA no Quênia e na Tanzânia em 1998. Depois de assistir a várias sessões de interrogatório de locais negros, Maya começa a suspeitar que o segredo para encontrar a localização de Bin Laden pode estar em seu mensageiro pessoal. Mas diante de montanhas de informações não confiáveis e pistas falsas, Maya deve dedicar sua vida a desvendar a verdade no coração deste filme de thriller político, que mistura algum fato e ficção.