《R4之谜》讲述了一起发生在20世纪70年代初的悬疑案件。江陵市医化所的一名科研人员意外身亡，公安人员初步判定其为自杀，死因与助理陈小小的争吵有关。陈小小因此被判处有期徒刑，罪名是“逼人致死”。十年后，当年参与办案的侦查员李安已成为公安战线的精英，她的未婚夫路沙是一名科研工作者，且与陈小小曾有过一段恋情。李安发现路沙对陈小小仍有旧情，心情复杂，但在交流中意识到当年案件存在诸多疑点。经过一番思想斗争并获得上级支持后，李安决定重新调查此案。随着调查深入，案件的真相逐渐浮出水面，幕后的黑手竟是陈小小的老师、路沙的舅舅亦秋。原来，七年前亦秋为掩盖自己的罪行，设计陷害陈小小，导致她蒙冤入狱。最终，李安成功为陈小小洗清冤屈，正义得以伸张。