Seit einem Mordversuch an ihm – bei dem aber sein Sohn ums Leben kam – jagt der FBI-Agent Archer den Terroristen Castor Troy. Nachdem ihm schließlich die Festnahme von Castor und seinem Bruder Pollux gelungen ist, liegt der ältere Castor im Koma und muss künstlich am Leben erhalten werden, während Pollux ins Hochsicherheitsgefängnis Erehwon eingewiesen wird. Bei der Untersuchung von Pollux Troys Unterlagen stellt sich jedoch heraus, dass die Brüder an einem unbekannten öffentlichen Platz in Los Angeles eine Bombe scharf gemacht haben, die in wenigen Tagen detonieren wird. Nachdem sich alle anderen Wege, diesen Ort zu finden, als wirkungslos erwiesen haben, lässt sich Archer schließlich in einer hochgeheimen Gesichtstransplantation von Dr. Malcom Walsh in dessen Walsh Institute sein Gesicht entfernen und durch das Castor Troys ersetzen, und auch sein gesamter Körper wird dem von Troy angepasst. Archers Stimme wird mithilfe eines Microchips mit Castors Stimme synchronisiert. Im Gefängnis soll er Pollux Troy – der nur seinem Bruder vertraut – über die Bombe aushorchen und danach wieder zurückoperiert werden.
Der Plan funktioniert zunächst, bis der gesichtslose Castor Troy jedoch unerwartet aus seinem Koma aufwacht, mit Unterstützung von außen Dr. Walsh herbeischafft und diesen zwingt, ihm das in einer Lösung schwimmende Gesicht Sean Archers zu transplantieren. Kaum ist dies getan, ermordet Troy alle, die etwas von dem Gesichtstausch wussten. In seiner neuen Identität als Sean Archer lässt er zunächst seinen Bruder Pollux aus dem Gefängnis frei und beginnt dann damit, sich Archers Familie anzunähern. Er entschärft in letzter Sekunde die von ihm selbst gelegte Bombe und wird somit zum gefeierten Helden mit der Möglichkeit „ein öffentliches Amt zu missbrauchen“ und alte, persönliche Feinde mit Hilfe des FBI-Apparats auszuschalten.
Allerdings gelingt dem echten Archer mit Hilfe einer List und eines Mitgefangenen die Flucht aus dem Hochsicherheitsgefängnis und das Untertauchen bei Freunden Castor Troys, die nichts von seiner wahren Identität wissen. Dort wird er jedoch von Pollux Troy ausfindig gemacht, das FBI stürmt das Gebäude, und Archer muss mit Sasha, einer Frauenbekanntschaft Troys und Mutter seines Sohnes Adam, fliehen. Bei der Flucht läuft er Pollux in die Arme, den er im Kampf tötet. Sasha wird im Feuergefecht tödlich getroffen.
Archer gelingt es schließlich, seiner Frau Eve von dem Identitätstausch zu berichten, welche ihm nach einer heimlichen Überprüfung der Blutgruppen Glauben schenkt.
Nach der Beerdigung des von Troy ermordeten misstrauischen Vorgesetzten Archers, Victor Lazarro, kommt es zum Showdown zwischen Archer und Troy, der mit dem Tod Troys durch eine Harpune endet. Archer erhält sein Gesicht zurück, nachdem seine Frau Archers Kollegen aufgeklärt hat, und nimmt außerdem Troys Sohn Adam in seine Familie auf.
