Sinopsis
El periodista Mikael Blomkvist (Daniel Craig), copropietario de la revista Millennium de Suecia, es acusado de difamación y sentenciado a pagar 600 mil coronas al empresario Hans-Erik Wennerström, enfrentando la quiebra. En esa situación es contactado por Henrik Vanger (Christopher Plummer), un anciano y acaudalado industrial, relacionado con una familia muy poderosa con muchos años de participación en el surgimiento de la economía del país.
Henrik Vanger le ofrece un interesante trabajo: si en el plazo de un año descubre cuál de sus familiares mató a su sobrina Harriet en una isla de vacaciones de la familia al norte de Suecia, quien desapareció sin dejar rastro hace 40 años y ahora sería la heredera, recibirá la información reservada que demostrará que él es inocente y podrá recuperar su prestigio profesional. Así será como con la ayuda de la excelente hacker Lisbeth Salander (Rooney Mara), se embarcará en una investigación criminal cambiando su vida para siempre, al descubrir a un asesino en serie de mujeres, quien las sacrificaba en un cuarto especial construido en una bodega de su casa en la isla familiar.
Lisbeth Salander es una extraña chica de complexión delgada y baja estatura, con una estética entre gótica y punk, tiene pírsines y tatuajes en el cuerpo, fumadora, borracha empedernida y bisexual, poseedora de una inteligencia extraordinaria y memoria fotográfica, es experta en informática y una de los mejores hackers de su país, actuando bajo el pseudónimo de «Wasp» («avispa» en inglés). Es investigadora privada en una empresa de seguridad relacionada con la industria de la familia afectada por la tragedia y posee un turbulento y secreto pasado, esto la hace no confiar en nadie y se mantiene instintivamente alejada de la policía.
En Estocolmo, el periodista deshonrado Mikael Blomkvist se está recuperando de una demanda por difamación presentada en su contra, esto pone a prueba su relación sentimental con la socia comercial en la revista y amante casada con un amigo, la hermosa Erika Berger. Lisbeth Salander, una joven brillante pero antisocial, investigadora y hacker de computadoras, compila una extensa verificación de antecedentes sobre Blomkvist para el rico empresario del acero Henrik Vanger, su contratista secreto, quien luego ofrece a Blomkvist un acuerdo cuando visita su mansión al norte de Suecia: entregar pruebas contra su enemigo Wennerström a cambio de investigar la desaparición de hace 40 años y el presunto asesinato de la sobrina de Henrik, la joven Harriet de 16 años. Todos los años Vanger ha recibido una flor prensada enmarcada, del mismo tipo que Harriet siempre le regalaba en su cumpleaños antes de desaparecer, esto lo lleva a creer en el asesino de Harriet se está burlando de él, Blomkvist acepta y se muda a una casa de campo en la finca de la familia Vanger, al norte de Suecia en la isla privada Hedestad.
El tutor designado por el estado a Salander, Holger Palmgren, sufre un derrame cerebral y es reemplazado por Nils Bjurman, un sádico, corrupto y perverso empleado público, quien pasa a controlar las finanzas de Salander y la extorsiona pidiendo favores sexuales para entregarle dinero, cuando ella necesita comprar una nueva computadora cuando la anterior se dañó en un intento de robo. Bjurman la amenaza con internarla en un hospital psiquiátrico si lo denuncia. En una nueva reunión, Nils la cita en su departamento, sin saber que ella tiene una mochila con una cámara de vigilancia y está grabando en secreto el encuentro. Allí, Nils encadena a Salander a su cama y la viola brutalmente. En el siguiente encuentro, ella planea vengarse de su atacante y le tiende una trampa, le aplica una pistola eléctrica a Nils, lo aturde y ata, lo viola analmente con un consolador metálico y le tatúa "Soy un cerdo violador" en el pecho. Usando la grabación secreta capturada del anterior encuentro, la muestra y lo chantajea para asegurar su independencia financiera, que él no la perjudique, presente informes favorables sobre su salud mental y no tenga más contacto con ella.
Blomkvist explora la isla y entrevista a varios miembros de la familia Vanger. Descubre que algunos eran simpatizantes de los nazis durante la Segunda Guerra Mundial, cuando Alemania invade Suecia. Descubre una lista de nombres y números cuando su hija de visita, la joven Pernilla, nota como referencias de versículos bíblicos anotados en una libreta bajo investigación, y cambian el curso de la investigación a la existencia de un asesino en serie en la familia. Blomkvist descubre que Salander lo había investigado ilegalmente, pero en lugar de denunciarla a la policía, la visita en su departamento, habla con ella, y le ofrece un trato, invitándola a participar en la misión de descubrir a un asesino de mujeres, oculto porque logró escapar de la justicia durante muchos años.
Ella descubre una conexión entre la lista de visitas de negocios de la empresa y numerosas mujeres jóvenes brutalmente asesinadas entre los años 1947 y 1967, lo que indica la existencia de un asesino en serie en la familia, muchas de las víctimas tienen nombres judíos y los asesinatos podrían haber sido motivados por el antisemitismo. Una mañana, Blomkvist encuentra en la puerta el cadáver mutilado de su gato adoptado, y sospecha estar más cerca del asesino. Otra noche, mientras camina al aire libre, una bala de un cazador le roza la frente; Salander lo encuentra y cura sus heridas, y tienen relaciones sexuales en la cabaña utilizada como centro de investigación. Blomkvist comienza a sospechar de Martin, el hermano de Harriet y jefe operativo del imperio Vanger. Salander también descubre evidencia sobre que el difunto padre de Harriet, Gottfried, y más tarde Martin, cometieron los abusos contra mujeres y los asesinatos.
Blomkvist entra a la noche en la mansión de Martin para obtener más pruebas de su participación en los asesinatos, pero Martin llega en forma sorpresiva y lo atrapa, captura y mete a Blomkvist en su sótano secreto, especialmente preparado para torturar y asesinar mujeres durante años, dejándolo inconsciente y sujetando colgado con cadenas. Martin se jacta de haber violado y matado muchas mujeres durante décadas, como su padre, pero dice no saber nada sobre Harriet. Cuando Martin está a punto de matar a Blomkvist, Salander llega a la casa para decirle que ha descubierto que Martin es el asesino en serie. Ataca a Martin y lo obliga a huir en su vehículo todoterreno por el puente de la isla. Ella lo persigue en su motocicleta, él se sale de la carretera resbalosa por el invierno y golpea un camión tanque de gas propano para calefacción, hace volar el auto, se incendia y lo mata. Salander cuida a Blomkvist para recuperar su salud y confiesa que cuando era niña, fue internada en una institución después de intentar quemar vivo a su padre.
Ellos siguen trabajando juntos e inician un romance. Deducen que Harriet está viva y escondida en algún lugar. Viajando a Londres se enfrentan a la prima de Harriet, Anita, una mujer refinada y de vida cómoda, aislada de la familia de Suecia. Lisbeth interviene su computador y logran descubrir que ella es Harriet, oculta en Inglaterra. Harriet les revela su secreto: Gottfried abusó sexualmente de ella cuando tenía 14 años, durante todo un año antes de poder defenderse, matándolo accidentalmente en una pelea. Martin continuó el abuso después de la muerte de Gottfried. Su prima, Anita, la ayuda a escapar de la isla y dejó que Harriet asumiera su identidad en Londres. Vivieron todos juntos, hasta que Anita y su esposo murieron años más tarde en un accidente automovilístico. Finalmente, libre de su hermano, Harriet regresa a Suecia y, entre lágrimas, se reúne con Henrik.
Como prometió, Henrik le da a Blomkvist información contra Wennerström, pero resulta información obsoleta, inútil y no muy grave. Salander revela que había pirateado las cuentas de Wennerström y le da a Blomkvist pruebas de los crímenes de Wennerström, Blomkvist las publica en un editorial mordaz, arruinándolo y llevando a Blomkvist a la fama nacional. Salander viaja a Suiza en secreto disfrazada de una mujer mayor, empresaria y colaboradora de Wennerström, y saca dos mil millones de euros de las cuentas secretas de Wennerström. Wennerström es luego asesinado en un aparente tiroteo entre bandas rivales, al sentirse engañadas por el retiro de dinero del banco de Suiza y la desaparición de la misteriosa mujer, considerada su socia trabajando para él en secreto y retirar el dinero estafando a sus socios.
Ella regresa a Suecia, oculta el dinero y se mantiene en la clandestinidad para no ser descubierta, en su camino para darle a Blomkvist un regalo de Navidad, una chaqueta de cuero de motociclista. Salander lo ve con Erika saliendo juntos de las oficinas de la revista para ir a cenar como amantes. Ella descarta el regalo y se marcha en su motocicleta.
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