Het is 2012. Martin Hart en Rustin Cohle, ooit partners bij de staatspolitie van Louisiana, leggen afzonderlijk verklaringen af over de moord op de prostituee Dora Lange, 17 jaar eerder. Tijdens hun terugblik komen niet alleen meer details over de misdaad - waaronder occulte aspecten - aan het licht, maar krijgen we ook meer inzicht in de explosieve relatie van de twee rechercheurs en in hun tumultueuze privelevens.

Omdat hij van hogerhand onder druk wordt gezet om een verdachte naar voren te schuiven in de moord op Dora Lange, waarschuwt Quesada rechercheurs Hart en Cohle dat ze vervangen kunnen worden door drie leden van een nieuw team dat gespecialiseerd is in occulte misdaden. De partners versieren wat ademruimte om een spoor op te volgen dat hen naar een bordeel op het platteland en een in de as gelegde kerk leidt. Hoewel zijn huwelijk met Maggie door zijn werk al onder druk staat, gaat Hart buitenshuis op zoek naar vertier.

Een verborgen beeld in de uitgebrande kerk voert Cohle en Hart tot bij Joel Theriot, een tentpredikant wiens parochianen een lange man met een litteken hebben zien omgaan met Dora Lange. Een seksueel delinquent die aan het profiel beantwoordt, belandt op het bureau om ondervraagd te worden en gaat zelfs over tot een bekentenis. Maar Cohle denkt niet dat hij de dader is. Hart raakt op een zijspoor wanneer Maggie een vriendin voor Cohle regelt in een country and westernbar. Op zoek naar een mogelijk patroon van moordgevallen verdiept Cohle zich in oude dossiers. Hij vindt een verband met een vrouw die jaren eerder verdronken zou zijn.

Hart en Cohle gaan op jacht naar hun nieuwe verdachte, Reggie Ledoux, een methkok die een cel deelde met de man van Dora Lange en recent zijn borgtocht verbeurde. Terwijl Harts priveleven als een kaartenhuisje in elkaar stort, dompelt Cohle zichzelf onder in zijn oude alter ego uit zijn diensttijd bij Narcotica. Hij contacteert een motorbende uit het oosten van Texas die zaken doet met de hoofdverdachte. Maar zijn undercoverwerk leunt gevaarlijk dicht tegen wetteloosheid aan en beide mannen moeten de gevolgen dragen van het leiden van een leven vol leugens.

Een gewelddadige ontknoping in het bos stelt een einde aan de zaak-Dora Lange en bombardeert Cohle en Hart tot plaatselijke helden. Voor beide mannen breekt een periode van relatieve rust aan. Hart herenigt zich met zijn gezin en Cohle, die een reputatie opbouwt in het afdwingen van bekentenissen, begint aan een relatie. Naarmate de tijd verstrijkt en zijn dochters opgroeien, valt Hart ten prooi aan nieuwe spanningen en verleidingen. Cohle verneemt intussen van een verdachte in een dubbele moordzaak dat een oude zaak misschien niet helemaal afgesloten is. In 2012 gooien Gilbough en Papania hun kaarten op tafel, nieuwe bewijzen die Cohle in een slecht daglicht stellen. Hart begint zich af te vragen of hij zijn partner ooit echt gekend heeft.

In 2002 beginnen Cohle en Hart te hervallen in hun vertrouwde, gewelddadige patronen. Hart wreekt zich brutaal op een stel tienerjongens en bij Cohle groeit de overtuiging dat ze in 1995 niet tot op het bot zijn gegaan. Op zijn eentje begint hij een sinister verband te onderzoeken tussen verdwijningszaken van kinderen langs de kust en het Wellsprings-project van evangelist Billy Lee Tuttle. Hart ziet de ex-prostituee terug die hij ontmoette tijdens de zaak-Lange. In 2012 ondervragen Papania en Gilbough de ex-vrouw van Marty, Maggie, over het gedrag van Cohle en Hart in 2002, het jaar waarin de relatie tussen de agenten ontspoorde en Cohle zijn ontslag nam na een schorsing.

Rust Cohle vertrouwt Marty Hart toe dat hij denkt dat de moord in Lake Charles en die op Dora Lange verband met elkaar houden. Hij oppert ook dat de rechercheurs destijds lang niet alle verdachten hebben opgepakt. Cohle wil dat Hart een oude schuld inlost en hem helpt bij het opvolgen van nieuwe sporen. Maar Marty blijft sceptisch tegenover de theorieen van zijn ex-partner. Wanneer hij finaal toch bijdraait, wordt al snel duidelijk dat hun onderzoek op verschillende manieren gedwarsboomd kan worden, niet alleen van hogerhand, maar ook omdat Cohle zelf nog altijd een verdachte is. Moeten ze het recht dan toch in eigen handen nemen?

Marty Hart en Rustin Cohle dwingen hun gegijzelde sheriff, Steve Geraci, om de beelden te bekijken van een video die Cohle uit het huis van Tuttle ontvreemdde. Geraci beweert dat het Sheriff Ted Childress was die destijds het dossier onopgelost afsloot en dat hij er zelf achteraf geen aandacht meer aan wilde besteden. Terug op kantoor proberen de twee mannen de complexe stamboom van de Tuttles te ontrafelen. Kan de foto van een huis dat net een frisse, groene verflaag heeft gekregen, hen op het spoor van een verdachte zetten? Cohle en Hart bereiden hun ultieme showdown tot in de puntjes voor.