Фильм рассказывает о расследовании серии жестоких убийств в провинции Хэйлунцзян на северо‑востоке Китая под сильным морозом и ещё более холодным чувством утраты. В самом начале истории обнаруживают части тела, перемешанные с углём на заводах, и детектив Чжан Цили берётся за дело, хотя его личная жизнь разваливается: он переживает развод и психологически далёк от оптимального состояния. Во время попытки ареста подозреваемых операция идёт наперекосяк, двое полицейских погибают, сам Чжан получает серьёзное ранение, и расследование оказывается под угрозой провала.
Проходит несколько лет. Чжан покинул полицию, работает охранником и сильно увлёкся алкоголем, словно пытаясь заглушить прошлые ошибки. Он встречает бывшего напарника, который сообщает, что похожие убийства снова происходят, и тела вновь появляются в округе. Это шокирует его, потому что всё указывает на связь с прежним делом, которое он не смог довести до конца.
Параллельно в фильме разворачивается рассказ о женщинах и мужчинах, которых затрагивает череда преступлений, о тех тонких нитях, которые связывают людей между собой. Чжан начинает следить за одной из женщин, чья жизнь каким‑то образом пересекается с теми, кого он когда‑то потерял следом. Эта часть истории ведёт его в тихие закоулки маленьких лавок, на каток, где лёд кажется таким же хрупким, как и человеческие надежды, и в места, где даже простые разговоры о прошлом оказываются тяжёлыми.
Чёрный уголь, тонкий лёд — это не просто криминальная история о поиске убийцы. Это фильм о человеке, который пытается разобрать собственные сокровенные раны на фоне беспросветного города, где холод и серость выступают почти отдельными персонажами. Он о том, как прошлое может настигнуть снова, даже когда ты думал, что оставил его позади, и о том, как сложно найти ответы, когда вокруг так много вопросов.