Zehn Jahre nach der finalen Konfrontation zwischen Light Yagami und L hat sich die Welt verändert. Cyberterrorismus ist weit verbreitet, und eine neue Welle unerklärlicher Massenmorde deutet darauf hin, dass Death Notes zurückgekehrt sind. Der Shinigami-König, fasziniert vom Chaos, das Kira verursacht hat, hat angeordnet, sechs Death Notes in die Menschenwelt zu schicken – die maximale Anzahl, die gleichzeitig aktiv sein kann. Dies löst ein globales Rennen um die Sicherung der Notizbücher aus.

In Japan wird eine neu gebildete Death-Note-Taskforce von dem gewissenhaften Ermittler Tsukuru Mishima geleitet. Er wird widerwillig mit Ryuzaki zusammengebracht, einem brillanten, aber exzentrischen weltbekannten Detektiv, der behauptet, der wahre Nachfolger von L zu sein. Ihre erste Untersuchung beginnt in Shibuya, wo sie eine junge Frau namens Sakura Aoi während einer wahllosen Mordserie abfangen. Nachdem sie getötet wird, sichert sich die Taskforce ihr Notizbuch und trifft auf ihren Shinigami Bepo, der die Existenz der sechs Notizbücher bestätigt.

Die Ermittlungen werden durch Yuki Shien erschwert, einen charismatischen und skrupellosen Cyberterroristen, der Kira verehrt. Mit seinen Hackerfähigkeiten verbreitet Shien ein Virus, das eine voraufgezeichnete Nachricht des verstorbenen Light Yagami ausstrahlt und weltweit Panik auslöst. Er ist selbst auf der Suche nach allen sechs Death Notes, da er glaubt, Lights Willen zu vollstrecken. Shien spürt Misa Amane auf, Lights ehemalige Geliebte, die nach dem Verzicht auf das Notizbuch vor Jahren keine Erinnerung mehr daran hat. Indem er ihr ein Notizbuch gibt und ihre Erinnerungen wiederherstellt, versucht Shien, den Ort eines „Gelobten Landes“ zu erfahren, von dem Light sprach, aber Misa weigert sich zu kooperieren.

Ein Dreikampf entbrennt zwischen Mishima, Ryuzaki und Shien. Ryuzaki nutzt eine digitale Rekonstruktion von L, um Shien in eine Falle zu locken, doch Shien ahnt den Zug voraus und schlägt zurück, indem er den Taskforce-Veteranen Touta Matsuda tötet. Die daraus resultierenden politischen Konsequenzen führen zur Auflösung der Taskforce. Unbeirrt entschlüsselt Mishima eine versteckte Nachricht von Ryuzaki und entdeckt, dass der Detektiv im Besitz des letzten Death Note ist. Als Mishima ihn konfrontiert, enthüllt Ryuzaki, dass sein Notizbuch völlig leer ist; er hat L versprochen, es nie zu benutzen, und behält das Eigentum lediglich, um seinen zugehörigen Shinigami zu sehen, eine weibliche weiße Entität namens Arma.

Die Ermittlungen nehmen eine persönliche Wendung, als Mishima wegen seines früheren Versagens, Teru Mikami zu finden, verhaftet wird – einen Staatsanwalt, der heimlich Lights Sohn bewachte. Ryuzaki befreit Mishima aus der Haft, und sie schmieden einen finalen Plan, um Shien herauszulocken. Auf einem öffentlichen Platz bricht die Konfrontation aus. Misa, die nun den Shinigami-Augen-Deal gemacht hat, um ihre Erinnerungen dauerhaft zurückzuerhalten, erscheint und scheint Ryuzaki zu töten, indem sie seinen Namen schreibt. Nachdem sie Shien enthüllt, dass Light wirklich tot ist, schreibt eine gebrochene Misa ihren eigenen Namen in den Death Note und tötet sich selbst, um zu Light zu gelangen.

Shien begibt sich zum „Gelobten Land“, einem verlassenen Hotel, nur um von einem sehr lebendigen Ryuzaki und Mishima konfrontiert zu werden. Ryuzaki enthüllt, dass sein Name Tage zuvor in einen anderen Death Note geschrieben wurde, mit einem verzögerten Todeszeitpunkt, was Misas Versuch unwirksam machte. Dann folgert er, dass Mishima der wahre Drahtzieher ist, der „Neo-Kira“. Gezwungen, einen Death Note zu berühren, kehren Mishimas gelöschte Erinnerungen zurück. Er hatte miterlebt, wie Mikami Lights Sohn im Wahnsinn tötete, und nachdem er Mikami erschoss, erlag Mishima der Macht des Notizbuchs und nahm den Titel Kira für sich selbst an. Um Verdacht zu vermeiden, gab er das Eigentum auf und nutzte Shien als ahnungslose Spielfigur, um die anderen Notizbücher zu sammeln, während er bereits Ryuzakis Namen mit einem zukünftigen Todesdatum geschrieben hatte.

Während die Enthüllung sich entfaltet, stürmen Polizei-Spezialkräfte das Gebäude. Shien wird im Kugelhagel getötet, aber Mishima und Ryuzaki können entkommen. Sie werden von Taskforce-Mitglied Sho Nanase in die Enge getrieben, die Rache für ihren Bruder sucht, der vom ursprünglichen Kira getötet wurde. Als sie im Begriff ist, auf Mishima zu schießen, opfert sich Arma, indem sie Nanases Namen in ihren eigenen Death Note schreibt, die Polizistin tötet, aber selbst zu Staub zerfällt.

In der Folge wird Mishima in Gewahrsam genommen. Ryuzaki, der nun dazu bestimmt ist, an dem von Mishima festgelegten Datum zu sterben, besucht ihn in seiner Zelle. Er enthüllt, dass vier der sechs gesicherten Death Notes bei einem Terroranschlag zerstört wurden, was bedeutet, dass das Chaos weitergehen wird. An seinem letzten Tag tauscht Ryuzaki die Plätze mit Mishima, befreit ihn und übergibt ihm die Mission, die verbleibenden Notizbücher zurückzuholen. Während der neue Ryuzaki frei herumläuft, stirbt der ursprüngliche Ryuzaki friedlich an einem Herzinfarkt, und eine Post-Credit-Szene zeigt eine Videodatei von Light Yagami, der lächelnd sagt: „Genau wie geplant.“