Tiros no Escuro acompanha a doutora Lorena Magalhães (Isis Valverde), uma psiquiatra forense encarregada de analisar um atirador (Fabio Assunção) que abriu fogo e matou espectadores durante uma sessão de cinema em um shopping de São Paulo, em 1999. Ao conduzir entrevistas e investigar o passado do criminoso, Lorena começa a perceber conexões intrigantes entre o caso e sua própria história. Depois de uma conversa com seus pais, o ex-psiquiatra Giovanni e sua antiga amante, Olga, ela chega a conclusão de que quase foi uma das vítimas naquela noite. Pouco a pouco, a jovem fica emocionalmente envolvida na investigação e sua carreira é ameaçada quando sua ligação com o caso vem à tona. Mesmo afastada da avaliação, Lorena consegue descobrir informações importantes que podem impedir a libertação do criminoso calculista.