En 1969 à Seattle, Ted Bundy (Zac Efron), étudiant en droit, rencontre Elizabeth « Liz » Kendall (Lily Collins), une jeune secrétaire et mère divorcée. Les deux commencent à se fréquenter, et Ted aide Liz à élever sa jeune fille, Molly.
En 1974, les journaux télévisés annoncent les meurtres récents de plusieurs jeunes femmes, dont deux qui ont disparu en plein jour au lac Sammamish ; un homme ressemblant à Ted a été vu par plusieurs personnes demandant à des femmes de l’aider à charger un voilier sur une Volkswagen Beetle. Un portrait-robot de l’agresseur est publié et, suite à des centaines d’appels téléphoniques, Ted est arrêté l’année suivante.
Une jeune femme nommée Carol DaRonch (Grace Victoria Cox) choisit Ted dans une séance d’identification de la police, affirmant qu’il l’avait kidnappée et menacée de mort avant qu’elle ne parvienne à s’échapper. Ted est libéré sous caution et rentre chez lui pour retrouver Liz qui est bouleversée après avoir lu un article sur lui dans le journal. Ted explique qu’on a montré sa photo à Carol avant la séance d’identification, ce qui explique qu’il lui semble familier, et dit qu’il croit qu’on lui a tendu un piège. Après un procès de quatre jours, Ted est reconnu coupable d’enlèvement aggravé et est condamné à purger une peine minimale de 1 à un maximum de 15 ans dans la prison d’État de l’Utah.
Quelques semaines plus tard, les autorités du Colorado accusent Ted du meurtre de Caryn Campbell, et il est transféré à Aspen, Colorado, en 1977. Liz refuse de croire à la culpabilité de Ted, les événements commencent à lui peser, et elle commence à boire beaucoup en conséquence. Au tribunal du comté de Pitkin, Ted choisit d’être son propre avocat et, à ce titre, il est dispensé de porter des menottes ou des entraves aux jambes. Pendant une pause du tribunal, Ted s’échappe du palais de justice en sautant d’une fenêtre du deuxième étage et en courant vers les montagnes à travers la ville, mais il est repris après six jours.
Liz rend visite à Ted et met fin à leur relation. Plus tard, il s’échappe à nouveau après avoir scié un carré dans le plafond de sa cellule. Deux femmes d’une maison de sororité sont assassinées à l’université d’État de Floride, suivies par des attaques vicieuses sur trois autres. Après avoir été arrêté, Ted essaie de contacter Liz, mais elle lui raccroche au nez. Il commence à être suivi par des femmes qui sont fascinées par lui, certaines affirmant même qu’elles l’aiment. Ted reçoit également la visite d’une vieille amie, Carole Ann Boone (Kaya Scodelario), qui croit en son innocence et déménage en Floride pour se rapprocher de lui lors de son procès pour meurtre à venir.
Un accord de plaidoyer avant le procès est négocié dans lequel Bundy plaiderait coupable d’avoir tué les deux filles de sororité, Lisa Levy et Margaret Bowman, et Kimberly Leach, âgée de douze ans, en échange d’une peine de 75 ans de prison au lieu de la peine de mort, mais il refuse. Ted et Carole Ann se rapprochent, car elle lui rend régulièrement visite ; ils entament une relation, mais Ted continue de tendre la main à Liz, qui suit son procès à la télévision. Elle porte la culpabilité d’être la personne qui a donné le nom de Ted aux autorités de Seattle en 1975. Plus tard, Ted demande Carole Ann en mariage au milieu du procès et ils se marient.
Des preuves matérielles incriminantes sont fournies au tribunal, notamment la correspondance entre un moulage en plâtre des dents de Ted et les empreintes de morsures laissées sur les fesses de Levy. En moins de sept heures, le jury déclare Ted coupable des meurtres de Levy et Bowman, de trois tentatives de meurtre au premier degré et de deux cambriolages. Le juge du procès, Edward Cowart (John Malkovich), prononce la peine de mort pour les condamnations pour meurtre, qui sera exécutée par électrocution.
Dix ans plus tard, Liz reçoit une lettre de Ted et lui rend visite, prenant une photographie qui lui a été donnée par un détective. Elle exige la vérité mais Ted continue de nier avoir un rapport avec les meurtres et proclame son innocence. Elle montre alors à Ted une photographie – une image de scène de crime d’une de ses victimes décapitées – et il finit par admettre qu’il lui a scié la tête en écrivant le mot « scie à métaux » sur la fenêtre embuée de rosée du parloir. Liz quitte la prison sous le choc mais est accueillie à l’extérieur par son nouveau mari Jerry (Haley Joel Osment) et Molly, désormais adolescente, et elle proclame qu’elle va enfin bien.
À la fin du film, des images d’archives et un texte à l’écran indiquent que Ted a été exécuté en janvier 1989, à l’âge de 42 ans. Ted avait avoué plus de 30 meurtres quelques jours avant son exécution, et ses cendres ont été dispersées dans les montagnes des Cascades, où il avait déposé les restes de nombreuses victimes.
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