Fraîchement diplômé de l'école de Police, Antoine est affecté à la 2ème division de police judiciaire de Paris. Il va être sous la direction du commandant Caroline Vaudieu, qui récupère son insigne après avoir gagné son combat contre l'alcoolisme. Cette séduisante quinquagénaire se lie d'amitié avec Antoine qui lui rappelle son fils tragiquement disparu.
Après s'être longuement documenté, le réalisateur Xavier Beauvois, Prix du jury à Cannes en 1996 avec N'oublie pas que tu vas mourir, nous plonge dans le quotidien fait de découragement d'un commissariat de police. Sans artifices et loin des clichés, Le Petit lieutenant dresse le portrait de policiers dans leur travail. Des personnages forts, parmi lesquels l'acteur Jalil Lesper et la comédienne Nathalie Baye, qui campe pour l'occasion l'un de ses plus beaux rôles, dans un polar âpre, intense et passionnant.