Le 1er novembre 2004, Hank Deerfield, camionneur de gravier et sergent de la police militaire à la retraite vivant dans le Tennessee avec sa femme Joan, est informé que son fils Mike, un soldat récemment rentré d’Irak, a disparu. Hank se rend à la base de Mike au Nouveau-Mexique pour le chercher; quittant la maison, il aide un gardien d’école à lever correctement le drapeau américain. À Fort Rudd, Hank rencontre l’équipe de son fils et prend secrètement le téléphone portable de Mike dans ses affaires. En regardant des vidéos récupérées du téléphone, il tente de signaler la disparition de Mike à la détective de police Emily Sanders, et tend la main à un ami anciennement au CID de l’armée, sans succès.
Le corps brûlé et démembré de Mike est découvert. Fort Rudd revendique la juridiction, estimant qu’une pipe trouvée sous le matelas de Mike et l’arrestation récente d’autres soldats pour trafic d’héroïne indiquent que son meurtre était lié à la drogue. Hank persuade Sanders de lui montrer la scène du crime et se rend compte qu’une voiture verte aperçue sur les lieux était en fait bleue. Rabaissée par ses collègues masculins, Sanders convainc le shérif local de poursuivre l’enquête, et le camarade de brigade de Mike, le SPC Gordon Bonner, tend la main à Hank.
Après avoir vu les restes de son fils, Joan rentre chez elle et reçoit un colis que Mike lui a envoyé par la poste, que Hank l’exhorte à ne pas ouvrir. L’histoire de la carte de crédit de Mike conduit Sanders et Hank à un restaurant, où Hank déduit que Mike a mangé avec au moins deux autres personnes peu de temps avant sa mort. Sanders reçoit des déclarations sous serment de l’équipe de Mike par des enquêteurs de l’armée, l’empêchant de les interviewer elle-même. Elle invite Hank à dîner, et il raconte à son jeune fils l’histoire de la bataille biblique de David contre Goliath dans la vallée d’Elah.
Eve, une barmaid aux seins nus que Hank a déjà interrogée, reconnaît le camarade de classe de Mike, le CPL Steve Penning, sur une photo, ce qui amène Hank à apprendre que Mike et Penning ont été expulsés d’un club de strip-tease la nuit où Mike a été tué. Sanders interviewe Penning, Bonner et SPC Ennis Long, qui admettent avoir menti dans leurs déclarations: après que Mike se soit fait expulser du club, lui et Bonner se sont battus sur le parking; Mike a ensuite payé leur nourriture au restaurant, et ils ont rendu visite à une prostituée avant de quitter Mike, qui cherchait à acheter de la drogue. Hank refuse de croire que les compagnons de Mike pourraient être impliqués dans sa mort.
Hank et la police déterminent qu’un autre membre de l’escouade de Mike, le PVT Robert Ortiz, est AWOL, avec des antécédents de trafic de drogue et une voiture bleue. Suivant la police alors qu’elle perquisitionne l’adresse d’Ortiz, Hank soumet Ortiz en fuite et le bat jusqu’à ce que les inspecteurs interviennent. Ortiz est arrêté, mais Bonner est retrouvé pendu avec la montre du grand-père de Mike dans sa poche. Sanders conclut que Bonner, qui possédait également une voiture bleue, a tué Mike. Elle apprend qu’Angie, la femme d’un soldat qui est venue lui demander de l’aide, a été assassinée par son mari.
Hank fait renvoyer les restes de son fils chez lui, et Penning aide à démarrer son camion, se remémorant Mike. Sanders fait correspondre l’écriture manuscrite de Penning à la signature sur le dernier relevé de carte de crédit de Mike, et réalise que Penning, Bonner et Long ont tué Mike, puis ont utilisé sa carte de crédit au restaurant. Penning s’est déjà manifesté et a reçu un accord de plaidoyer, mais sur l’insistance de Sanders, elle et Hank entendent ses aveux en personne: il admet avoir poignardé Mike après une querelle apparemment insignifiante. Hank lui demande une vidéo de Mike torturant un insurgé captif, et Penning, émotionnellement distant, explique: « Nous faisons tous des choses stupides ». Il déclare également que n’importe qui aurait pu mourir dans cette querelle ou dans une querelle similaire, et que Mike « était l’intelligent qu’il pouvait voir », ce qui implique que Mike a peut-être provoqué l’agression sur lui-même par découragement nihiliste et la prise de conscience de l’incapacité du groupe à se réajuster à la vie civile.
Ramassant les affaires de Mike, Hank présente ses excuses à Ortiz, qui a été libéré honorablement. Hank est hanté par sa dernière conversation avec son fils, après que Mike a renversé un enfant irakien qui jouait sur la route, remercie Sanders et rentre chez lui. Il trouve que Joan a ouvert le paquet de Mike, qui contient une photo de son équipe et un drapeau plié. De retour au mât de l’école locale, Hank flotte le drapeau de son fils à l’envers.