Том Уелс (Никълъс Кейдж) е специалист по тайно наблюдение - или човек, когото в миналото са наричали "частен детектив" - но неговият вариант на тази професия едва ли може да бъде обект на легенди. Той има скромна практика в Харисбърг, Пенсилвания, където води съществуване със съпругата си Ейми (Катрин Кийнър) и дъщеричката им (още бебе) Синди, забележително само със своята нормалност.

Уважаван, но все още очакващ големия случай, който ще го издигне в професионалната йерархия, Уелс прекарва времето си в изпълнение на рутинни задачи по следене на неверни съпрузи и тем подобни.

Нищо прекалено опасно... докато една малка, безобидно изглеждаща ролка филмова лента, не обръща живота му с главата надолу, изпращайки го на гнусно и ужасяващо пътешествие до най-тъмните ъгълчета на обществото. От лъскавите витрини на булевард "Холивуд" в Лос Анжелис до мръсотията на района за разфасовка на месо в Ню Йорк, "8 ММ" проследявапътя на Уелс, който упорито върви по загадъчна следа от жестоки улики, за да реши съдбата на една непозната - жена, която не дава покой на въображението и съвестта му.

Подпомогнат в маниакалното си търсене от Макс - продавач в павилион за порнографска литература, който знае много за живота на улицата, Уелс все повече се отдалечава от съпругата, семейството и предишния си живот. Онова, което научава, е по-безумно и от най-ужасните му кошмари. Уелс постепенно осъзнава колко смъртоносна може да се окаже една малка ролка 8-милиметров филм.