Cerita berfokus pada Detektif Eric Matthews yang berhasil melacak dan menangkap John Kramer (Jigsaw) di sebuah pabrik baja. Namun, penangkapan ini ternyata merupakan bagian dari rencana Jigsaw. Jigsaw menunjukkan monitor yang menampilkan delapan orang terjebak di sebuah rumah misterius, termasuk putra Eric yang bernama Daniel, dan Amanda Young (satu-satunya penyintas dari film pertama).
Para korban di dalam rumah tersebut menghirup gas saraf mematikan yang akan membunuh mereka dalam waktu dua jam. Satu-satunya cara untuk selamat adalah dengan menemukan suntikan penawar (antidote) yang disembunyikan di berbagai jebakan sadis di seluruh rumah. Jigsaw memberi tahu Eric bahwa ia hanya perlu duduk dan berbicara dengannya sampai waktu habis jika ingin melihat putranya selamat.
Di dalam rumah, ketegangan memuncak saat para korban—yang ternyata semuanya pernah dipenjarakan oleh Eric Matthews—mulai saling serang. Salah satu peserta, Xavier, menjadi sangat agresif dan tega mengorbankan orang lain demi mendapatkan nomor kombinasi yang ada di belakang leher setiap korban untuk membuka brankas berisi penawar.
Film ini memiliki dua kejutan besar di akhir cerita:
- Manipulasi Waktu: Monitor yang ditonton Eric ternyata bukan siaran langsung, melainkan rekaman yang sudah terjadi sebelumnya. Daniel sebenarnya aman dan berada di dalam brankas di samping Eric selama mereka berbicara.
- Penerus Jigsaw: Terungkap bahwa Amanda Young kini bekerja sama dengan Jigsaw sebagai murid atau pengikutnya. Amanda-lah yang menjebak Eric Matthews di kamar mandi ikonik dari film pertama di akhir cerita.