《火线追凶之黑枪疑云》讲述了发生在上海滩租界的一桩离奇命案。一处民房突发火灾，医科大学女教授于胜男（齐芳饰）在现场发现一具疑点重重的女尸，随即请来巡捕房探长钟朗（钟汉良饰）和搭档韩非（释小龙饰）协助调查。经过验尸与现场勘查，三人判断死者早在火灾发生前就已遭人杀害。
随着调查深入，死者的女儿又在火灾当时神秘失踪，案件由此牵出一宗幼童绑架案。钟朗等人找到死者的妹妹，对方却将所有嫌疑都指向了始终没有露面的姐夫徐胜道。三人前往徐胜道的住处查探时，遭到数名恶徒袭击，没想到这些人竟是南京军委会特派员。
原来，徐胜道曾是某军工厂的步枪设计师，而他设计的步枪存在严重的炸膛问题，致使前线战士遭受了无谓伤亡。国民政府因此派人展开调查，但徐胜道本人早在数月前便已失踪。随着案中案层层展开，错综复杂的线索逐渐指向隐藏在背后的重重黑幕。
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