刑警日记剧集以江州市公安局刑侦支队为背景，讲述了支队长田田与他的团队在复杂案件中的奋斗与成长。田田，一位远近闻名的“神探”，思维缜密，屡破疑案，成为警队的精神领袖，尽管他在家庭中因工作疏忽而深感愧疚，与老婆叶英的关系也因此产生裂痕。儿子田小田在高考中因田田的失职而成绩不理想，父子间产生了严重的隔阂。然而，田小田却在父亲的影响下，成为了一名“侦破迷”，对警察工作产生了浓厚的兴趣。
新刑警黄宜轩，身手不凡却有些鲁莽，初到刑警队时因经验不足犯下错误。在田田的启发和教育下，黄宜轩逐渐融入集体，成长为一名合格的刑警。女刑警郑琼，外型清丽干练，却因职业性格泼辣而被男士们避之不及，年近三十却仍单身。朱亚军，拥有“发明家”般的气质，擅长运用技术手段寻找犯罪痕迹，是刑警队技术侦察方面的业务标兵。老刑警韩刚经验丰富，是队里的“活字典”。刘志成，积极为刑侦工作做好支持与配合，梦想成为刑警队的一员。
刑警们的生活与特殊的职业经历交织，构成了他们的全部。在他们组成的警察团队中，每一颗心都致力于消除城市的罪恶。
剧情进展中，知名摄影师卢继祖在田田与叶英补拍婚纱照当天被刺死，田田从一幅人体摄影作品中发现端倪，分析出雇凶杀人者的身份。在侦破影楼案的过程中，女店员乐鸣走进了大家的视野，她以忧郁善良的气质打动了黄宜轩，两人互生好感。在办案过程中，师姐郑琼与新来乍到的黄宜轩也不打不相识，成为一对“姐弟冤家”。乐鸣与黄宜轩的感情日渐深厚，却因过去的创伤而无法坦诚面对彼此。乐鸣当年目睹哥哥因见义勇为而受重伤，但救助者洪志强和刘放却未能及时给予帮助，导致哥哥因失血过多死亡。多年后，洪志强成为汽车美容店老板，刘放则开办了夜总会。乐鸣来到这座城市，目的就是为了为哥哥讨个说法。
多年后，廖铁在江州作案时被田田擒获，哥哥廖刚因此牺牲。逃亡后，廖铁成为手段残忍、反侦查能力极强的流窜杀人犯，接受雇凶任务不仅为了经济上的需要，更是为了向警方挑战。洪志强和刘放相继遇害，两宗杀人案无征兆、无动机、缺少线索痕迹。知名企业家郑庆山也被绑架，情况变得更加复杂。江州人心惶惶，警方承受着巨大的破案压力。
在田田的带领下，刑警队员们日夜奋战，案情脉络逐渐清晰。黄宜轩发现女友乐鸣一直隐瞒的神秘身世与洪志强和刘放的案件有着密切关联。就在刑警们前往乐鸣住处时，她以自杀的方式向黄宜轩表达了心迹。恶贯满盈的廖铁杀害了执行清查巡逻任务的刘志成，刘志成的牺牲没有令大家退缩，反而激发了大家的斗志。正当廖铁试图对叶英和田小田下手时，田田赶到，将廖铁击毙。
经过生命的考验，田田与家人之间的关系得到了理解和亲情的修复。在田田的影响下，黄宜轩、郑琼、朱亚军等年轻刑警逐渐成熟，他们用热血和青春诠释了守护一方平安的无声誓言。
剧情中还涉及了其他角色的故事，如柳芸儿、虞小娟、郭薇等年轻女性的现代爱情故事，以及王斑等演员在不同剧集中的角色扮演。这些角色共同构成了一个丰富多彩、引人入胜的警匪故事。
江州市公安局刑侦支队支队长田田是一个远近闻名的“神探”，他思维缜密，屡破疑案，擅长通过动机分析与心理刻画直达犯罪的核心，是警队上下的“精神领袖”级人物。不过因工作疏忽家庭而愧疚的田田在老婆叶英面前却气不敢出，最令田田纠结的是他曾因办案耽误了儿子田小田的高考，导致父子间产生严重的亲情隔阂，但他不知道表面叛逆的儿子却潜移默化地受他影响成为一个“侦破迷”。