Der Film spielt Ende der 1960er Jahre. Die 18-jährige Susanna landet nach einem Selbstmordversuch durch ASS und Wodka in der Frauen-Abteilung der Psychiatrischen Klinik Claymoore Hospital. Sie sollte dort zur Erholung bleiben. In der Klinik lernt Susanna andere psychisch kranke Frauen kennen. Darunter die notorische Lügnerin Georgina, die verstörte Daisy und die unter einer Brandentstellung leidende Polly. Außerdem trifft sie auf die Stationsschwester Valerie, die Susanna erstmal unter ihre Fittiche nimmt und herumführt.

Der Psychiater Dr. Malick nimmt nachts um 0.00 Uhr an einer Eilsitzung mit Richter Taylor und den Bezirksstaatsanwälten teil, um für den zum Tode verurteilten Serienmörder Malcolm Rivers vor der am nächsten Tag bevorstehenden Hinrichtung die Begnadigung zu erwirken. In dieser Nacht kommen während eines Unwetters zehn Personen in einem abgelegenen Motel in der Wüste von Nevada zusammen. Wegen des Unwetters und der überschwemmten Fahrwege sind die Personen gezwungen, im Motel zu übernachten. In dieser klaustrophobischen Atmosphäre kommt es zu einer Reihe von tödlichen Unfällen und Morden, die zunächst nicht aufgeklärt werden können. Die überlebenden Personen versuchen, weitere Morde zu verhindern und gleichzeitig den Täter oder die Täterin zu enttarnen, was aber nicht gelingt. Es stellt sich im Laufe der Handlung heraus, dass sie alle am selben Tag, dem 10. Mai, Geburtstag haben und ihre Namen allesamt die von US-Bundesstaaten sind.

Wie González Iñárritus und Arriagas erster Film Amores Perros und der folgende Babel verwebt 21 Gramm drei Handlungsstränge miteinander: den von Cristina Peck und ihrer bei einem Verkehrsunfall umgekommenen Familie (Mann und zwei Töchter), den von Jack Jordan, dem fahrerflüchtigen Unfallverursacher und seiner Familie (Frau und zwei Kinder), und den des herzkranken Paul Rivers, der sich nach einer (im Weiteren schlecht verlaufenden) Herztransplantation von seiner Frau Mary trennt, um mit Cristina zusammenzuleben, der Witwe seines bei dem Unfall verstorbenen Herzspenders. Die Szenen des Films sind nicht in zeitlicher Folge montiert. Im Folgenden wird die Handlung weitgehend chronologisch wiedergegeben...

Dave Toschi und Bill Armstrong leiten beim San Francisco Police Department (SFPD) die Ermittlungen in mehreren Mordfällen, die alle von einer Person begangen wurden, die sich Zodiac nennt. Er schickt handschriftlich verfasste Briefe mit Hinweisen und Details, die nur der Mörder und die Polizei wissen können, an mehrere Zeitungen in San Francisco, darunter auch an den San Francisco Chronicle. Der charismatische Journalist Paul Avery und der 24-jährige Karikaturist Robert Graysmith beginnen damit, Recherchen anzustellen. Nach einigen weiteren angekündigten Morden nimmt Zodiac öffentlich Kontakt zum Star-Anwalt Melvin Belli auf, dessen Versuche, den Täter zur Aufgabe zu bewegen, nicht von Erfolg gekrönt sind. Zwar haben die Polizisten Toschi und Armstrong nach einiger Zeit einen Hauptverdächtigen namens Arthur Leigh Allen, allerdings stimmen weder die Handschrift noch die Fingerabdrücke überein, sodass Allen aus der Untersuchungshaft entlassen werden muss.

Betty Anne ist zusammen mit ihrem Bruder Kenny in dem kleinen Ort Ayer (Massachusetts) aufgewachsen. Schon früh werden die beiden Kinder straffällig, beispielsweise klettern sie in Häuser, um Süßigkeiten zu entwenden. Im Erwachsenenalter wird Kenny von der Polizistin Nancy Taylor routinemäßig auf die Wache gebeten, da in der Nachbarschaft Katharina Brow ermordet wurde und Kenny vorbestraft ist. Zwei Jahre später, als beide verheiratet sind und Kenny eine Tochter hat, wird er auf der Beerdigung seines Großvaters von der Polizei verhaftet.

Der Film thematisiert eine Randepisode der Botschaftsbesetzung in Teheran Ende 1979 und der daran anschließenden Geiselnahme von 52 Botschaftsmitarbeitern durch iranische Studenten. Anlass der Besetzung war die Weigerung der US-amerikanischen Regierung unter Jimmy Carter, den sich in den Vereinigten Staaten zur Behandlung seiner Krebserkrankung aufhaltenden Mohammad Reza Schah Pahlavi an die im Zug der Islamischen Revolution von Ayatollah Khomeini etablierte Regierung auszuliefern. Neben dem Hauptproblem – den 52 Geiseln in der Hand der iranischen Botschaftsbesetzer und, allgemein, der stark antiamerikanisch aufgeladenen Stimmung im Iran – stellen sich für die US-Behörden weitere, kleinere Probleme, insbesondere die Evakuierung weiterer, noch im Land verbliebener US-amerikanischer Staatsbürger.