Synopsis:

En 1954, les Marshals des États-Unis Teddy Daniels et Chuck Aule débarquent sur Shutter Island, une île au large de Boston, pour enquêter sur la disparition de Rachel Solando, une patiente d'un hôpital psychiatrique de « haute sécurité » sur l'île. À leur arrivée, le docteur Cawley leur explique que cette patiente a tué ses trois enfants en les noyant. Lors de la recherche de Rachel Solando, Teddy Daniels aperçoit un phare, déjà fouillé aux dires de McPherson, le directeur-adjoint de l'hôpital. En interrogeant le personnel, l'agent Daniels apprend que le psychiatre de Rachel, le docteur Sheehan, a quitté l'île le matin même. Daniels se voit de plus refuser l'accès aux fichiers du personnel médical. Pendant la nuit, il rêve de sa femme, Dolores Chanal, disparue dans un incendie deux ans auparavant. Dans ce rêve, elle lui dit que Rachel est toujours sur l'île, tout comme Andrew Laeddis, le pyromane responsable de l'incendie qui a tué Dolores. Le lendemain, alors que Teddy Daniels interroge les patients de la thérapie de groupe à laquelle participait Rachel, l'un d'entre eux lui enjoint de quitter l'île. Teddy avoue alors à Chuck Aule le motif réel de sa visite sur l'île : prouver que l'on mène des expériences sur les cerveaux des patients. Contre toute attente, Rachel Solando réapparaît soudain, saine et sauve. Après leur rencontre, Daniels tombe malade, développant une photosensibilité et de violents maux de tête. Il s'évanouit. Au réveil, il se joint au personnel de l'hôpital qui tente de remettre de l'ordre dans le bâtiment C : avec la tempête, le générateur de l'hôpital est tombé en panne, libérant les patients les plus dangereux de l'institut. Daniels y rencontre George Noyce, qui lui explique que tout ceci n'est qu'un jeu destiné à l'attirer sur l'île et qu'il craint qu'on ne le conduise au phare afin de le lobotomiser. Teddy Daniels et Chuck Aule s'échappent de l'institut afin de pénétrer dans le phare. Chuck disparaît, et Teddy découvre une caverne dans laquelle se cache la vraie Rachel Solando. Celle-ci lui explique qu'elle était une psychiatre réputée avant d'être internée, et que les patients sont drogués pour ne sentir ni amour ni douleur, afin de devenir des agents dormants de la Guerre froide. Teddy aurait été drogué de cette façon, dès son arrivée sur l'île. Teddy Daniels parvient alors au phare, sans y trouver quoi que ce soit d'anormal. Lorsqu'il arrive au sommet, il rencontre le docteur Cawley, qui l'attendait. Cawley explique alors à Daniels que celui-ci s'appelle en réalité Andrew Laeddis et qu'il est l'un des patients de Shutter Island depuis deux ans, et que Chuck n'est autre que le docteur Sheehan, qui le suit depuis son arrivée sur l'île.