Le film s'ouvre avec Michael, un informateur de police, se trouvant attrapé dans un piège mortel créé par le tueur au puzzle. Un message enregistré en vidéo l'informe qu'un casque plein de clous a été fermé à clef autour de son cou et se fermera sur sa tête à moins qu'il trouve la clef à temps. Michael réalise, par des conseils laissés par Jigsaw, que la clef a été implantée derrière son ½il droit. Il trouve un scalpel près de lui, mais il ne peut se résoudre à couper son propre ½il ; quand le temps est terminé, les claquements du dispositif se ferment, le tuant immédiatement.
Après un débat avec son fils adolescent rebelle Daniel (Erik Knudsen), le détective Eric Matthews (Donnie Wahlberg) est appelé à la scène de la mort de Michael. D'après les indices qui ont été laissés pour lui, il a pu localiser exactement la tanière de Jigsaw dans une usine en acier abandonnée. La police fouille le bâtiment et trouve le Jigsaw (Tobin Bell), considérablement affaibli par un cancer. Près de lui, un ensemble de moniteurs d'ordinateur montrent huit personnes emprisonnées dans une maison mystérieuse remplie de gaz neurotoxique mortel (apparemment du gaz Sarin), parmi elles Daniel et Amanda (Shawnee Smith), la seule survivante connue de Jigsaw.
Matthews parle avec Jigsaw afin d'essayer d'acheter du temps pour que l'équipe technique arrive à temps et trouve d'où vient le signal vidéo. Les huit personnes dans la maison ont commencé à chercher des antidotes pour se protéger du gaz neurotoxique qu'ils respirent. L'un d'eux, Gus (Tony Nappo), est tué par une porte piégée peu de temps après le début des recherches. Par la cassette audio, Jonas déduit que leur lien commun est la prison. Après avoir trouvé une cave secrète avec un cadavre dedans, on apprend que c'est Obi, l'un des 8 prisonniers, qui les a kidnappés. Obi (Tim Burd), est brulé vif en essayant de récupérer deux antidotes dans un four. Le groupe, plus tard, trouve un puits rempli des centaines de seringues hypodermiques, avec une clef menant à un antidote cachée parmi elles. Xavier, la victime prévue, jette Amanda dans le puits pour chercher la clef à sa place. Amanda trouve la clé, mais leur temps est terminé, et la porte à l'antidote ne s'ouvre pas.
En attendant, Jigsaw explique à Matthews pourquoi il est devenu un tueur, et lui indique que les victimes emprisonnées dans la maison sont des criminels qu'il a capturé avec de fausses preuves. Si l'identité de Daniel est découverte, il sera en grand danger.
Xavier, ayant abandonné les autres, se rend compte qu'un nombre de la combinaison dans le coffre-fort a été écrit sur la nuque de chacune des victimes. Après avoir tué Jonas dans un combat, il commence à égrapper les quatre autres, qui ont découvert l'identité de Daniel. Laura meurt bientôt de l'exposition de gaz, et les bras d'Addison sont emprisonnés dans une boite en verre aux ouvertures bordées de rasoirs, pendant qu'elle essaye d'attraper un antidote.
Matthews, en attendant, perd le contrôle et assaille violemment le Jigsaw, le forçant par la suite à le porter à la maison où se trouvent son fils et les autres personnes. Pendant qu'ils partent, l'équipe technique indique exactement le signal, et la police se dirige vers la maison. Dans celle-ci, Xavier poursuit Amanda et Daniel dans un sous-sol caché, qui mène à la salle de bain du premier film (où se trouvent le corps d'Adam Faulkner et de Zep Hindle, et le pied du Dr. Lawrence Gordon, maintenant décomposés), dans laquelle Daniel s'effondre. Amanda remarque que Xavier n'a aucun moyen de trouver son propre nombre, sur quoi il découpe un morceau de peau de sa nuque pour le lire. Après avoir menacé Amanda, Daniel, qui a seulement simulé l'effondrement, tranche la gorge de Xavier avec une des scies à métaux du premier film.
L'équipe arrive à l'endroit du signal vidéo, mais ce n'est pas la même qui a été montrée sur les moniteurs dans la tanière du Jigsaw ; les évènements filmés ont eu lieu à une occasion précédente, dans une maison identique. Atteignant la maison correcte, Matthews entre dans la salle de bain et ne trouve rien. Il reçoit alors une injection de sédatif dans la jambe d'un assaillant inconnu recouvert d'un masque à tête de porc, exactement le même que dans le premier film. À la tanière abandonnée, un temporisateur expire et un coffre-fort s'ouvre, révélant Daniel, sauf, avec un masque à oxygène.
Matthews se réveille enchainé par la cheville à la canalisation de la salle de bains. Une bande audio, se trouvant à côté de lui, indique qu'Amanda l'a emprisonné ici, "inversé les rôles" pour reprendre ses termes exacts. Dans un flash back, on voit qu'elle est en fait la complice de Jigsaw et non un de ses sujets, à l'inverse d'Eric Matthews. Ce qui expliquerait son immunisation au gaz (la seringue vide du coffre-fort, a été utilisée pour sauver Daniel, puisqu'il n'y en avait qu'une ). On peut donc supposer qu'elle a très probablement aidé Jigsaw à la construction des pièges de la maison abandonnée. Amanda apparait alors et dit : « La partie est finie » avant de fermer la porte de salle de bains.