《寒武纪》是一部暗黑悬疑和都市偶像两大截然不同题材结合的电视剧，这部剧主要讲述了一个暗潮汹涌的世界如何用爱来突破重围，破除黑暗，迎接阳光，打破死局的故事。故事背景主要是以南瞻岛为主，一个独立而又发达的南瞻部岛，它的黑暗势力盘根错节，生活在岛上的每个人背后都有着不为人知的身份，他们亦正亦邪，没有好坏之分，出了这座岛似乎和正常人没什么区别。
男主捡子他是秋门詹士礼的养子之一，戴上面具是秋门的神秘杀手脸谱，揭下面具后就化身名为捡子的无害酒吧老板。男二李永基他是外表正义温暖的李警官，实则是暗黑势力的卧底，内心腹黑，他永远相信黑暗战胜黑暗。秋门集团詹士礼表面上是儒雅聪明掌管岛上经济命脉的企业家，实则是心狠手辣操控黑暗势力的老大。
岛上每个人都有着另一重身份，他们都在为自己的目的而伪装着，女主唐印看似与他们格格不入，实际上她是捡子养母的女儿。唐印的冒然闯入迅速将她卷入到黑暗斗争中，在这个纸醉金迷的南瞻部岛，她与黑暗同行，但爱也会带着她为黑暗世界引入光芒。
唐印偶然的一次闯入，她与警官李永基，秋门集团的继承人捡子从此陷入一场充斥着金钱、欲望甚至死亡的权力游戏中。在繁华渐欲迷人眼的南瞻部岛上唐印失去了好友沈可可，她的死揭露了所有人不为人知的一面。游船上的那次搏斗围堵，秋门编码器的失踪，沈可可的神秘失踪，大钟的死亡，神秘杀手脸谱的出现，唐印被作为绑架人质，她的遭遇将她背后的暗黑势力和隐藏的危险在这一刻完全爆发出来。
唐印与捡子相识在一场搏斗中，脸谱将她救下就消失得无踪影，直到一次车内的情迷意乱中他们的关系更加不可收拾，唐印误会捡子是鸭子，将身上剩下的一点钱拿给捡子，捡子对她说会负责的。后来唐印就住在捡子开的酒吧里，他们与李永基一起调查沈可可的死亡与背后失踪的编码器。
沈可可的死警察怀疑是脸谱杀害的，脸谱的神秘失踪与出现以及监控视频中看见脸谱对沈可可的要挟，警方一致认为脸谱就杀害凶手。后来锁头的意外死亡让李永基觉得蹊跷，他从中得知捡子与锁头是兄弟，锁头是秋门集团的人，李永基怀疑起捡子，后来唐印被脸谱再次抓住，才打消捡子的嫌疑。
锁头假死装扮成脸谱向唐印索要编码器的下落，捡子为了救唐印再次以脸谱的身份救她，一场打斗中唐印为捡子受伤，他为了博取唐印的同情和逃离警方的猜疑不惜打伤自己成为受害者。后来唐印与捡子成为警方的保护对象，以普通人的身份待在唐印身边，协助李永基去寻找脸谱的下落。
酒后乱性的那一夜唐印误认为自己怀孕对捡子又打又骂，而捡子一直沉溺在当爸爸的喜悦中，他对唐印爱慕的李永基说“我就要当爸爸了啊，喂，听说过一个成语叫做"百步穿杨"吗?”殊不知唐印被检查出来是食物中毒。乌龙事件过后唐印遇见了詹士礼，他想从唐印身上寻找编码器的下落，警察得知詹士礼的行踪准备逮捕他，却被脸谱带回了秋门并警告詹士礼不要动唐印，不然不念过往的父子之情。
捡子是秋门詹士礼的养子，他从小就接受严酷的训练，父亲只教他弱肉强食，强者为尊的思想，却从未给过他一丝的温情。他替父亲做很多见不得光的事，麻木得想逃离秋门，但他的内心是善良的，他把这些任务当作自己对秋门应尽的责任、对父亲应尽的义务。捡子曾想着完成所有任务，父亲就会给他许诺过自由的生活，殊不知他的想象被无情地击碎。
锁头得知捡子就是脸谱，他认为脸谱杀了自己的女人沈可可，便不念兄弟之情要杀他。锁头告诉捡子父亲要杀他，他为了权利与财富，甚至可以杀死自己兄弟。一边是父亲，一边是兄长，捡子不知局面为何变成这样，深陷痛苦之中。后来李永基被唐印怀疑他滥用职权逮捕詹士礼被进行调查，只因是为了报复秋门，公报自用。
海边的一次追杀中，锁头遭受兄弟背叛，唐印带着编码器去找被绑架的捡子，李永基与秋门的金琳联合利用锁头设的局除掉锁头。脸谱的出现救出了唐印，却被金琳发现开枪杀死了锁头。唐印与被麻醉的脸谱乘船逃出，唐印摘下面前得知脸谱就是捡子，那个一直在暗中保护她的神秘少年，原来一直在身边。
捡子受伤这段时间，唐印一直陪伴着他，捡子的突然离去，唐印满地找他。唐印虽然骂他却还是会温柔地为捡子包扎伤口，捡子说“唐印，谢谢你，总能给我带来温暖。”捡子的世界从未享受过温暖，在秋门里胜者为王，败者为寇，父亲曾让他们相互残杀，只为像选猎犬一样选出强者。
锁头的死，李永基的不甘心，金琳的诡计，唐印上的编码器，甚至秋门詹士礼的计划无疑是一场血腥的战争。捡子带唐印回秋门参加锁头的葬礼，锁头希望捡子放下仇恨，不要到死了留下遗憾和愧疚。金琳一心想要摧毁秋门，她痛恨詹士礼冷血无情，她需要警方的力量不惜极力拉拢说服李永基。
詹士礼与捡子的师傅计划着将秋门重新洗礼干净，捡子被詹士礼以秋门继承人的身份宣布与明珠订婚，詹士礼的用心良苦，捡子的不明之意。一场设计捡子的订婚礼，尽管是詹士礼的任务，捡子不顾场内人的目光拿着戒指走向唐印的身边说“我不想再等了，唐印，我爱你。”于是抱着唐印亲吻着她，带着她印逃离会场。
李永基看着为爱放弃一切的两人，虽然他爱唐印却没有捡子的担当，捡子爱唐印却把她牵扯到纷乱复杂的事情中。自从他戴上脸谱后就成为了詹士礼的工具，失去了自由，他曾发誓"如果唐印有什么闪失， 我一定让整个南岛的警察给她陪葬。"捡子为了给唐印一个安全干净的世界，他决定为了唐印去查明沈可可的死因。
捡子为了唐印的安全决定回秋门让父亲收回唐印身上的编码器，詹士礼却要捡子遵从和明珠的联姻，便可收回编码器。后来李永基得知唐印身上有编码器，他绑架了唐印，金琳的出现唐印为了不让他们得逞便把编码器吞下。
李永基带走了唐印，脸谱的出现以一敌十将唐印推出包围，李永基与金琳的联合却遭到警察的突击，李永基为了自保不惜背叛了金琳，没有退路的金琳看着女儿安全的在詹士礼手上，她举起手中的枪向自己的脑袋开了一枪，结束了她野心勃勃的一生。
李永基为了不被警方怀疑便开枪将假筹码销毁，并听信詹士礼的话到金琳家销毁证据，解除后顾之忧。锁头死后，詹士礼的身体越来越差，他为了把干净的秋门交到捡子手中一直在强撑着。詹士礼不想捡子知道他是他父亲，他知道捡子是恨他的，詹士礼为了捡子从小隐瞒他的身份，一面是护了他周全，一面是让他与其他养子一样历练增加能力。
在詹士礼眼中，他培养的所有人都是给捡子铺路的，在他有生之年可以给捡子一个干净的秋门。捡子为了唐印与自由，他不接受詹士礼为他铺好的路，詹士礼看着感情用事的捡子，他不惜把唐印扔下了海，李永基为了毁灭秋门，他用假编码器开始制造大量筹码，想要借此栽赃秋门。
失去唐印的捡子开始日渐消沉，整日在车里喝酒，后来捡子再次戴上脸谱面具，成为冷面的杀手，他毁了秋门的赌场拿着枪指向父亲，詹士礼看着捡子的成长他布局已久的计划终于尘埃落定。他把秋门洗白交给了捡子，与管家实施计划赴死于对方之手，捡子接手秋门后变得成熟稳重，作风凌厉，将李永基的阴谋包庇其中，目的是为了保住秋门。
李永基以唐印的安危来要挟捡子写出秋门的罪行，唐印被李永基的人抓住，捡子为了唐印的安危答应李永基将新任厅长杀死并写下秋门的罪行。捡子为了唐印抹杀一切危机，他可以再次戴上脸谱不惜杀人，哪怕她恨他，离开他。曾经唐印的一句"你是好人吗?"让捡子为了她不惜与父亲对抗，捡子的世界是黑暗的，他不希望唐印来他的世界，他会以干净的捡子身份去到她的世界，而不是脸谱的身份。
后来李永基因醉酒驾车撞死沈可可被逮捕，面对重重的罪行他一直清醒地认为：要战胜黑暗就要更黑暗，这样黎明才会更快来临。而捡子的罪行也在劫难逃，他为了保住秋门，不惜将所有罪行扛在身上，捡子被扣押的那一刻唐印不顾世俗的眼光主动的深深吻向捡子，哭着转身离开的那一幕简直泪崩了。捡子被警方带走时车子突然失控，冲出围栏掉进大海中，唐印喊着捡子的名字却久久没有回应，他们离别时的那一吻终究成为了生死离别。