回城的路上，伊谷春从聊天中得知了尾巴的事，这更引起了他的注意和警觉。此时，见义勇为的阿道为帮助一名被抢的女青年小夏（王珞丹饰），自己中了刀血流不止，他却迅速离开现场，回出租屋欲自行缝合包扎。
小丰回到出租屋，却发现昏迷不醒的阿道，便送他去医院，等待的过程中小丰接到陈比觉打来的电话，告诉他尾巴晕倒住院了。
阿道醒来后，小丰告诉他伊谷春掌握了许多情况。包括他右手大拇指的指纹，以及当天有人在水库里见到三个男青年，其中一人有纹身这样的命案细节。
阿道听后觉得不能再拖了，两人决定找人收养尾巴然后跑路。
但送走尾巴的那天，小丰一路迟疑魂不守舍，甚至不舍到崩溃大哭，也终于告诉阿道尾巴有心脏病必须尽快做手术，否则活不过一年的实情。
阿道悲愤交加动手打了小丰，但听到尾巴的哭声，他忽然冷静下来说：认命吧。为了给尾巴治病，小丰和阿道来到医院，却巧遇上司伊谷春和他的妹妹小夏，小夏认出了阿道正是那天帮了自己的人。此时伊谷春接到警队消息，有人跳楼，便带着小丰赶往现场，小丰当场救下了一个想要跳楼自杀的香港设计师（吕颂贤饰）。
疑虑丛生的伊谷春，找到自己的老师询问命案的更多细节，老师告诉她死去的女孩，曾经和一个老男人生过孩子，如果活着该有7岁了。
伊谷春发现自从跳楼案后，小丰时常和那个香港设计师混在一起，于是便偷偷跟踪，却意外被他发现小丰和设计师在同性酒吧一包间内，肆无忌惮激吻的画面。面对伊谷春的试探，小丰告诉他自己和三个兄弟都有特殊癖好，并且从中学时代就开始了。这个发现让伊谷春瞬时间推翻了之前对小丰的论断。
因为灭门惨案死去的女孩，是遭受强奸导致心脏病发而死，那么有同性癖好的小丰也就不存在强奸女子的动机，这与案件的关键信息不符。
小夏从哥哥口中得知阿道三人的性取向，她无法相信，跑去亲身试探。面对脱下上衣激情拥吻自己的小夏，阿道终于顶不住激情和荷尔蒙的作用，并向小夏露出自己的纹身。回到家小夏查阅了哥哥放在家中的资料，知道真相的小夏决定掩盖一切，她哭着对哥哥说:“他们确实是gay。”以此来混淆伊谷春的视听。
但当伊谷春看到桌角遗落的灭门惨案卷宗资料时，瞬间明白妹妹的全部用意。第二天一早，小夏来到郊外出租屋找阿道，伊谷春尾随而至。在搜查的最后他在电扇上发现一根奇怪的线，一点点抽丝剥茧最后竟发现有偷听癖好的房东录下的小丰三人的全部对话。尘封多年的案件，至此真相大白。
但伊谷春并没有马上逮捕小丰三人，在一次追击歹徒的过程中，伊谷春不慎从高处跌落，小丰一把抓住了他。伊谷春却告诉他：“放手吧，然后去自首。”
听了伊谷春的话，小丰没有放手，他仍然紧紧地抓住伊谷春，直到大部队赶来救下了他们。面对法律的制裁，小丰告诉阿道“鞋子落下来了”，阿道却说：“再给我半小时，可以吗？”原来他第一时间想到的是尾巴，阿道找到小夏把尾巴托付给她。
这一刻他也终于能够勇敢面对自己的感情。小丰和阿道承认了全部的罪行，两人被执行注射死刑。没有多余的痛苦与挣扎，恐惧与逃避，那条绑住他们内心多年的锁链，这一刻终于解锁。
小丰、阿道死后，比觉也跳海自尽，可就当此时案件反转，原来杀了人的并不是三兄弟，而是当年一起去别墅讨债，后来被小丰三人推下水库的第四人(王砚辉饰演）。一开头《烈日灼心》便展现了与以往犯罪片不同的处理方式，它并没有藏着掖着，而是出场便把“凶手是谁”，这个最大的悬疑元素摊开来给大家看。
随着故事的层层展开，人物之间复杂的内心戏，让人既像看刑侦片也像看恐怖片，昏暗的色调暗淡的画面，影片中对环境、心理的刻画，总是给人一种危险无处不在的紧张感。精神的恐惧要远超过血腥场面带来的视觉恐惧，高楼追凶一场更是看得很多人恐高症都犯了。
影片中郭涛自己包扎，邓超注射死刑的过程，堪称演技高光时刻，段奕宏更是“戏妖”上身全程在线飙戏，一个眼神一个微表情都将人带入故事中。甚至结尾处王砚辉的出演，让太多人直呼，以为这是在看《今日说法》。《烈日灼心》也成为一部片捧出三个影帝的神作。但比起这些氛围的营造、演技的讨论，真正让《烈日灼心》称得上“良心之作”的是它对人性的刻画与展现。
为了逃命小丰和阿道要送走尾巴，他怀抱着瘦弱的小女孩，一边走一边问：“他们会对尾巴好吗？他们舍得给她花钱吗？像我们一样给她花钱？”这听起来像在问阿道，更像是自言自语，那份不舍、纠结，活着与死亡的巨大冲突与矛盾，直戳泪点，我们从没想过，自己会为了一个犯人而落泪。
这便是人之初中的性本善，小丰和自道虽然犯了罪，但却对尾巴展现出性本善的一面。这份性本善可以说是他们的救赎，也是他们天性的一部分，所以他们收养尾巴付出全部的父爱，也像英雄般地做好事。只不过在他们的天性中还有另一部分，那部分的小丰展现了人之初的“性本恶”，导致无辜的女孩死亡，那部分的小丰、阿道、比觉，眼睁睁看着真凶杀害了一家五口却不去制止，为了活着决定逃脱罪责。
人性的复杂就是如此，有自我、本我与超我，马斯洛需求层次中最基本的也是生理需求，活着是人之根本。但在生存之外，人还寻求安全感、归属感、尊重感和自我实现，对这些实现的追求过程，也才逐渐塑造起一个完整的健全的人，这些也是小丰、阿道拼命救赎想要获得的。但逃跑后的日子却并不好过，小丰始终抬不起头不敢直视他人的目光，只能叫苟且偷生；阿道不敢接受小夏的爱意，因为他觉得自己不能更不配；智商163的陈比觉，更是要一直装傻来掩饰自己的曾经，他们都活着，但也仅仅是活着，这便是对他们最大的惩罚。
之所以说《烈日灼心》是良心之作，正因为它强调的不是善与恶，对于错，是与非，而是罪与赎，是人性与做人的良心。正如伊谷春那句颇具哲学意味的台词所说：“你知道什么是人吗？人是神性和动物性的总和，他有你想不到的好和想不到的恶，没有对错，这就是人。而法律的存在，则是人性的低保，是一种强制性的自我修养。”故事的结局小丰、阿道、比觉看似不合常理的甘愿赴死，也正是良心二字的展现，他们决定用牺牲自己的方式留给尾巴一个没有阴影的未来，他们选择留下的也是自己的良心，是肉体的毁灭也是人性与精神的重生。
有的人活着他已经死了，有的人死了他还活着，有的人生不如死，有的人死得其所。人之所以为人，正是因为能够约束“动物性”中的恶，发扬近似“神性”的善，如此才能保存良心，过得坦坦荡荡。
一旦良心出了轨，烧的只能是自己的身，灼的也只能是自己的心。
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