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Nella Los Angeles del 1928, la madre single Christine Collins torna a casa e scopre che suo figlio Walter, di nove anni, è scomparso. Il reverendo Gustav Briegleb pubblicizza la situazione di Christine e inveisce contro il Dipartimento di Polizia di Los Angeles (LAPD) per la sua incompetenza, la corruzione e le punizioni extragiudiziali inflitte dalla "Gun Squad", guidata dal capo James E. Davis. Alcuni mesi dopo la scomparsa di Walter, la polizia di Los Angeles comunica a Christine che il ragazzo è stato ritrovato vivo. Credendo che la pubblicità positiva annullerà le recenti critiche al dipartimento, la polizia di Los Angeles organizza una riunione pubblica. Sebbene "Walter" affermi di essere il figlio di Christine, lei afferma che non è vero. Il capitano J.J. Jones, a capo della divisione minorile della polizia di Los Angeles, insiste sul fatto che il ragazzo è Walter e fa pressione su Christine affinché lo porti a casa "in via sperimentale".

Dopo che Christine si confronta con Jones sulle discrepanze fisiche tra "Walter" e suo figlio, Jones organizza una visita medica. Il medico dice a Christine che "Walter" è più basso di tre centimetri rispetto a prima della sua scomparsa perché il trauma ha ridotto la sua colonna vertebrale e che l'uomo che ha preso Walter lo ha fatto circoncidere. Un giornale pubblica un articolo che insinua che Christine sia una madre inadatta; Briegleb dice a Christine che è stato messo in giro dalla polizia per screditarla. Sia l'insegnante di Walter che il suo dentista consegnano a Christine delle lettere firmate in cui affermano che "Walter" è un impostore. Christine racconta la sua storia alla stampa; di conseguenza, Jones la manda nel "reparto psicopatici" del Los Angeles County Hospital. Fa amicizia con la detenuta Carol Dexter, che dice a Christine di essere una delle tante donne mandate lì per aver sfidato l'autorità della polizia. Il dottor Steele diagnostica a Christine un'allucinazione e la costringe a prendere delle pillole per regolare l'umore. Steele dice che rilascerà Christine se ammetterà di essersi sbagliata su "Walter". Lei rifiuta.

Il detective Ybarra si reca in un ranch a Wineville, nella contea di Riverside, per organizzare l'espulsione del quindicenne Sanford Clark in Canada. Lo zio del ragazzo, Gordon Stewart Northcott, è fuggito dopo un incontro fortuito con Ybarra, che ha parlato della sua attività in quel luogo come di una questione minorile. Clark racconta a Ybarra che Northcott lo ha costretto a contribuire al rapimento e all'omicidio di una ventina di bambini e identifica Walter come uno di loro. Jones comunica a Briegleb che Christine è in custodia protettiva in seguito a un esaurimento nervoso. Jones ordina l'espulsione di Clark, ma Ybarra porta Clark sul luogo dell'omicidio e gli dice di scavare dove sono sepolti i corpi. Clark esita, ma presto scopre parti del corpo. Briegleb ottiene il rilascio di Christine mostrando a Steele un articolo di giornale sugli omicidi di Wineville che nomina Walter come possibile vittima. Sotto interrogatorio da parte di Ybarra, l'impostore di Walter rivela che il suo motivo era quello di assicurarsi il trasporto a Los Angeles per vedere il suo attore preferito, Tom Mix, e afferma che la polizia gli ha detto di mentire sul fatto di essere il figlio di Christine. La polizia cattura Northcott a Vancouver, nella Columbia Britannica, in Canada. Nel frattempo, Briegleb presenta Christine e il suo caso al famoso avvocato "S.S." Hahn, che accetta il caso pro bono e ottiene rapidamente un ordine del tribunale per il rilascio di altre donne ingiustamente imprigionate che la polizia voleva mettere a tacere.

Il giorno dell'udienza del consiglio comunale, Christine, Hahn e Briegleb arrivano al municipio di Los Angeles, dove incontrano migliaia di manifestanti che chiedono risposte alla città e denunciano la polizia di Los Angeles. L'udienza è intervallata da scene del processo a Northcott. Il consiglio conclude che Jones e Davis devono essere rimossi dal loro incarico e che gli internamenti extragiudiziali da parte della polizia devono essere fermati. La giuria giudica Northcott colpevole di omicidio e il giudice lo condanna a morte per impiccagione.

Due anni dopo, Christine non ha ancora abbandonato la ricerca di Walter. Northcott le invia un messaggio in cui dice di essere disposto ad ammettere di aver ucciso Walter a condizione che Christine lo incontri prima dell'esecuzione. La donna va a trovare Northcott, ma lui si rifiuta di dirle se ha ucciso suo figlio. Northcott viene giustiziato il giorno successivo.

Nel 1935 David Clay, uno dei ragazzi che si pensava fosse stato ucciso, viene ritrovato vivo a Hesperia, in California. Rivela che uno dei ragazzi con cui è stato imprigionato era Walter e che Walter, un altro ragazzo, e lui sono fuggiti ma sono stati separati. David non sa se Walter sia stato ricatturato, ma dice che Walter lo ha aiutato a fuggire, facendo sperare a Christine che possa essere ancora vivo.

Briegleb ha continuato a usare il suo programma radiofonico per denunciare la cattiva condotta della polizia e la corruzione politica; si dice che Wineville abbia cambiato nome in Mira Loma per sfuggire allo stigma degli omicidi; e che Christine Collins non ha mai smesso di cercare suo figlio.