Фотограф Адам Стэнхейт (Ли Уоннелл) просыпается в заброшенной ванной, его нога прикована трубой к батарее. В противоположной части комнаты лежит доктор Лоуренс Гордон (Кэри Элвес). На полу между ними труп неизвестного мужчины с диктофоном. На оставленных аудиокассетах — послания от похитителя, маньяка по кличке Конструктор. Он предлагает Гордону убить Адама до шести вечера, в противном случае умрут близкие доктора — жена Элисон (Моника Поттер) и дочь Дайана (Макензи Вега). Фотограф же победит, если останется в живых.

Большую часть фильма занимает флешбэк. Гордон вспоминает, что был подозреваемым по делу Конструктора. Серийный убийца проектировал жуткие ловушки и заставлял похищенных людей проходить через ужасные испытания. Детективы Дэвид Тэпп (Дэнни Гловер) и Стивен Синг (Кен Люн) считали, что это дело рук доктора, и даже заставили его встретиться с Амандой Янг (Шоуни Смит), одной из выживших жертв маньяка. Позже Синг был убит в одной из ловушек, а покалеченный Тэпп нанял Адама, чтобы следить за Гордоном. Кстати, семью доктора держит в плену Зеп Хиндл (Майкл Эмерсон), один из подопечных Гордона.

Зеп пытается убить Элисон, так как к шести часам Гордон так и не покончил с Адамом. Женщине удается вырваться, но оказавшийся рядом Тэпп погибает. Гордон решает, что его жена мертва, отпиливает прикованную к батарее ногу (в ванной все это время находились две ножовки) и стреляет в Адама. Фотограф остается в живых и забивает вошедшего Зепа до смерти крышкой от унитаза, а Гордон уползает прочь из комнаты.

В финале оказывается, что лежащий посреди ванной «труп» — это Джон Крамер (Тобин Белл), один из пациентов доктора, имеющий терминальную стадию рака головного мозга. Крамер, он же Конструктор, решил проучить и врача, и нечистого на руку фотографа. Он выходит из комнаты, оставляя Адама в одиночестве.

Джон Крамер посещает собрания онкобольных, где знакомится с Генри Кесслером (Майкл Бич), который утверждает, что у него терминальная стадия рака. Позже он встречает Кесслера, выглядящего намного лучше. Мужчина утверждает, что ему помог экспериментальный метод лечения, и дает контакты зарубежных врачей.

Джон связывается с норвежским доктором Сесилией Педерсон (Сюннёве Макоди Лунд), она предлагает Крамеру пройти операцию и попить чудо-таблетки в ее мексиканском лечебном центре. После процедур Педерсон уверяет, что у пациента наступила ремиссия, но Конструктор достаточно быстро понимает, что его обманули. Тогда он похищает всех «врачей» из этой команды и заставляет их пройти смертельные испытания. Ассистенткой Крамера становится Аманда.

До финала доживают лишь Сесилия и ее любовник Паркер Сирс (Стивен Брэнд). Им даже удается освободиться и заковать в цепи Крамера и попавшего под раздачу мальчика Карлоса. Но даже это оказывается частью плана Джона: Паркер погибает от руки Сесилии, а судьба женщины остается неизвестной. В сцене после титров детектив Хоффман помогает Крамеру отыскать Генри Кесслера.

Детектив Эрик Мэтьюз (Донни Уолберг) и его коллеги идут по следу Конструктора и находит его на заброшенном складе. Джон Крамер предлагает Эрику сыграть в игру: в неизвестном доме находятся восемь человек, которые проходят очередные смертельные испытания маньяка, причем один из похищенных — Дэниэл (Эрик Кнудсен), сын детектива. Среди старых знакомых в том же доме есть Аманда, уже пережившая встречу с Конструктором.

Команда Мэтьюза идет по следу трансляции, в то время как сам он продолжает беседовать с Джоном. В ходе разговора выясняется, что Эрик был коррумпированным копом, а многие из похищенных напрямую с ним связаны. Тем временем пленные Крамера ищут ключи к противоядию от газа, которым они отравлены. Постепенно все узники умирают, а в живых остаются лишь Аманда и Дэниэл. Эрик не выдерживает и силой вынуждает Крамера отвезти его к сыну. Команда полицейских, которые шли по сигналу, прибывает в тот самый дом, но выясняется, что игра закончилась уже давно, а на экранах крутилась запись.

Выживший Дэниэл все это время находился в сейфе на складе, его отцу надо было лишь проявить терпение. Поэтому в финале Эрика на месте, куда его привез Конструктор, усыпляет некто в маске свиньи. Под ней оказывается Аманда, которая все это время была помощницей Крамера. Детектив остается умирать в комнате, прикованный за ногу к батарее.

Эрик Мэтьюз ломает себе ногу, чтобы спастись из ловушки, но на выходе из дома его встречает Аманда. Тем временем другие детективы из команды детектива Ригга (Лайрик Бент) понимают, что появляются новые жертвы, и, хотя ловушки намекают на Конструктора, у похищенных не было никаких шансов спастись. Сам Крамер же умирает от рака, но проводит свою последнюю игру. Аманда похищает доктора Линн Денлон (Бахар Сумех), которая должна поддерживать жизнь в Джоне, иначе женщину убьет надетая на шею ловушка.

Героем последней игры Конструктора является Джефф (Энгус Макфадьен), чей сын погиб в аварии. Мужчина должен научиться прощать, чтобы выжить. Он сталкивается с людьми, которые замешаны в гибели ребенка; Джеффу не удается спасти промолчавшую свидетельницу аварии и виновника самого инцидента, зато он выручает из ловушки судью по делу о ДТП.

В импровизированной операционной Денлон пытается поддерживать жизнь в Конструкторе, но Аманда все равно выстреливает в доктора. Также выясняется, что именно помощница Крамера стояла за теми убийствами, что обсуждали в начале фильма. В операционной появляется выбравшийся Джефф, который убивает Аманду; оказывается, что Денлон — его жена. Конструктор предлагает Джеффу либо вызвать скорую для раненой супруги, либо расправиться с ним самим. Мужчина выбирает месть, перерезая Крамеру горло электропилой, это же активирует ошейник на шее Денлон, и она умирает.

Тело Крамера доставляют в морг и при вскрытии обнаруживают в его желудке еще одну аудиокассету, которую слушает детектив Марк Хоффман (Костас Мэндилор). В своем послании Конструктор говорит, что игра только начинается. Полиция догадывается, что у Крамера был еще один преемник, кроме покойной Аманды. Вскоре Хоффмана похищают.

Главный герой новой игры — детектив Ригг. Ему предстоит спасти Хоффмана и детектива Мэтьюза (см. «Пила 2»), который выжил. Чтобы сделать это, Ригг должен пройти через ряд испытаний. Тем временем агенты ФБР Питер Страм (Скотт Паттерсон) и Линдси Перес (Афина Карканис) допрашивают Джилл Так (Бетси Расселл), бывшую жену Конструктора. Они узнают, что однажды она потеряла ребенка из-за наркозависимого преступника, который в итоге стал одной из жертв Крамера.

Перес и Страм преследуют нового маньяка, но первая попадает в больницу. Страм же натыкается на… Джеффа из третьей «Пилы» (тут становится понятно, что действие этих фильмов происходит одновременно) и убивает его. В финале оказывается, что преемником Конструктора все это время был Хоффман, который запирает на складе раненого Ригга и Страма.

Флешбэк: Хоффман расправляется с людьми, приписывая их смерти Конструктору. Вскоре его находит Крамер и предлагает стать его учеником, если только детектив научится играть по его правилам: ловушки должны быть сделаны так, чтобы у жертв всегда были шансы выбраться.

В настоящем Хоффман проводит новую игру, суть которой заключается в том, что пять человек должны работать сообща. Однако на деле жертвы ведут себя эгоистично, поэтому до финала доживают только двое — Брит (Джули Бенц) и Маллик (Грег Брайк). Тем временем агент ФБР Страм идет по следу Хоффмана, замечая, что все жертвы предыдущих игр были связаны с детективом.

Однако преемнику Конструктора удается убедить агента ФБР Дэна Эриксона (Марк Ролстон), что именно Страм является маньяком. В финале Хоффман и его противник сражаются в комнате со стеклянным гробом. Страм запихивает детектива в саркофаг, но это оказывается частью его плана. Стены помещения сужаются, раздавливая Страма, а Хоффман остается невредим.

В ФБР все как будто уверены, что преемником Конструктора оказался Страм. Агенты Перес и Эриксон предлагают Хоффману сотрудничать. Детектив продолжает дело Крамера, оставляя повсюду отпечатки покойного Страма.

Стартовала новая игра, ее главным участником становится нечестный страховой агент Уильям Истон (Питер Аутербридж), чьи действия разрушили немало судеб. В свое время он отказал в медицинской страховке и самому Джону Крамеру, а тот в своих посмертных записях выбрал Истона в качестве очередной жертвы. Уильям должен пройти ряд испытаний, выбирая между спасением разных людей, а в финале оказывается, что все это время за ним наблюдала семья его бывшего клиента, который умер после отказа в страховании. Именно им предстоит выбрать, заслуживает ли Истон прощения, и они решают убить его.

В конце фильма Эриксон и Перес вызывают Хоффмана на дешифровку записи голоса маньяка и разоблачают его. Он убивает Эриксона и Перес, а затем сжигает лабораторию, снова оставив повсюду отпечатки Страма. Но Хоффмана ловит Джилл. Выясняется, что он должен стать жертвой новой игры, ведь его имя было в одном из предсмертных конвертов Крамера. Она надевает на голову детектива медвежий капкан и уходит, но Хоффману удается выжить.

Джилл раскрывает детективу Мэтту Гибсону (Чэд Донелла), что новый Конструктор — это Хоффман, поэтому тот пускается в бега. Но это не мешает маньяку начать новую игру, главный герой которой — Бобби Даген (Шон Патрик Флэнери), якобы жертва Крамера. Даген — медиазвезда, гуру и автор книги, но, на самом деле, он сочинил историю своего чудесного спасения. Теперь ему придется пройти через испытания уже по-настоящему. Хоффман похищает его сотрудников и жену, но Даген проваливает все испытания и погибает сам.

Тем временем Гибсон преследует Конструктора, а Хоффман в это время пробирается в полицейский участок. Там маньяк надевает на Джилл медвежий капкан и убивает ее. Но сбежать ему не удается — на него нападают двое неизвестных, и оказывается, что у Крамера были другие последователи. Их предводитель — доктор Гордон, который после событий первого фильма стал верным учеником маньяка. Гордон помещает Хоффмана в знаменитую ванную комнату, но не оставляет ему даже ножовку.

Пятеро людей просыпаются в сарае с ведрами на голове — это новая игра Джона Крамера, который опять решил покарать тех, кто грешил, но ушел от ответственности. Весь фильм нам показывают все так, будто Конструктор действительно каким-то образом воскрес, и лишь ближе к финалу становится понятно, что это все большой флешбэк про одну из первых игр маньяка.

А в современности полиция преследует Конструктора — человека, который выдает себя за Крамера и совершает похожие преступления. Дело ведут детективы Брэд Хэллоран (Каллум Кит Ренни) и Кит Хант (Кле Беннетт), они подозревают патологоанатомов Логана Нельсона (Мэтт Пассмор) и Элеонор Бонневилль (Ханна Эмили Андерсон). В финале Хэллоран и Логан просыпаются в сарае в смертоносных ошейниках с лазерами.

Патологоанатом погибает, детектив признается во всех грехах, и тут Логан сразу же «воскресает». Он был участником самой первой игры Крамера и чуть не погиб из-за неосторожности маньяка, который не дал ему шанса выжить. Логан стал последователем Конструктора и подделывал аудиозаписи с голосом Крамера после его смерти.

Мятежному детективу Зику Бэнксу (Крис Рок) назначают нового напарника Уильяма Шенка (Макс Мингелла). Вместе они должны расследовать новые преступления, которые напоминают испытания Конструктора. Один за другим гибнут их коллеги — коррумпированные копы из участка. Некоторые подозревают самого Бэнкса. Затем гибнет и Шенк.

Вскоре Бэнкс сам становится участником новой игры, в финале которой выясняется, что все это время маньяком был его напарник, инсценировавший свою смерть. Оказывается, что отец Уильяма погиб из-за коррумпированных копов, а одним из тех, кто покрывал полицейских, был Маркус Бэнкс (Сэмюэл Л. Джексон), отец Зика. В финале Шенк сбегает с места преступления, а спецназ случайно убивает Маркуса на глазах у Зика.