Shutter Island est un îlot au large de Boston où un hôpital psychiatrique semblable à une forteresse accueille des pensionnaires atteints de troubles mentaux graves et coupables de crimes abominables.
Un matin de septembre 1954, le marshall Teddy Daniels et son équipier Chuck Aule débarquent sur cette île pour enquêter sur l’évasion de Rachel, une patiente internée après avoir noyé ses trois enfants. Dès leur arrivée, les deux policiers perçoivent l’étrange atmosphère de ce lieu clos. Ils comprennent vite que personne ne les aidera dans leur mission et ils se posent plusieurs questions : quel rôle jouent sur l’île les médecins qui dirigent cet hôpital et quelles méthodes expérimentent-ils sur leurs patients ?
À quoi sert le phare qui domine l’îlot et dont l’entrée semble inaccessible ? Persuadés que l’évadée a bénéficié de complicités, les deux marshalls vont ruser pour découvrir tout ce qu’on leur cache mais un message codé laissé par Rachel les enfonce davantage en plein mystère. Petit à petit, ce drame fait ressurgir chez Teddy des éléments de son passé : il a connu la douleur de perdre sa femme dans un incendie criminel.
Mais lorsque Chuck Aule découvre que le pyromane responsable des malheurs de son collègue se trouve interné sur l’île, il s’interroge sur Teddy : celui-ci est-il venu pour enquêter ou pour se venger ?