舞台は架空の田舎町であるミズーリ州エビング。 アンジェラ・ヘイズという名前のティーンエイジャーがレイプされた後に焼かれて殺害されるという凄惨な事件が発生した。それから7ヶ月が経過した後も、母親のミルドレッド・ヘイズは娘を奪われた悲しみから立ち直れずにいた。女手一つで育ててきた娘の死は何よりも耐え難いものであった。しかし、時が経つにつれて、ミルドレッドは犯人の手掛かりを何一つ発見できない警察に不信感を抱くようになった。それはやがて警察への怒りへと変化していった。そこで、ミルドレッドは町はずれの道路沿いの殺害現場に立つ3枚の広告板（スリー・ビルボード）を借り受け、そこに「娘はレイプされて焼き殺された」「未だに犯人が捕まらない」「どうして、ウィロビー署長？」というメッセージを張り出した。ウィロビー署長を敬愛してきたエビングの住民たち、そして息子のロビーまでも、ミルドレッドの行動に憤慨した。特に、レイシストとして悪名高い警官のジェイソン・ディクソンは腹の中で怒りを煮えたぎらせていた。広告板の設置が原因で、ミルドレッドと息子のロビーは住民たちから嫌がらせを受けることとなったが、ミルドレッドはそれを意に介さなかった。孤立無援の一家を支えていたのは、アンジェラの無念を晴らしたいという思いであった。ウィロビーは町民から慕われる人格者であり、ミルドレッドの苦境に同情的ではあったが、それでもなお広告板の設置は自身への不当な人格攻撃だと考えていた。ミルドレッドに自分は膵臓癌の末期症状であり余命少ないことを告白するが、彼女はそれを既に知った上で広告板を設置したと返答。一方、ディクソンはミルドレッドの行動を警察官である自分への敬意を著しく欠いた振る舞いであると見なしていたため、何としてでも屈服させてやると決意し、ミルドレッドに広告板を貸した広告会社社長のレッドを脅迫した。その後、ミルドレッドの友人であるデニスにマリファナ所持容疑をでっち上げて逮捕し、しかも保釈にも応じなかった。ミルドレッドの元夫であるチャーリーは粗野な人物であったが、そんな彼ですらも広告板の設置が引き起こすであろう事態を恐れていた。彼はミルドレッドに「アンジェラが殺される1週間前、あいつは俺と一緒に暮らしたいと言ってきたんだ」と語るのだった。一見強気なミルドレッドだったが、彼女も自責の念を抱えていた。実は事件当日、アンジェラは友人らと遊びに出かけるのに車を貸して欲しいと頼んだが、娘の素行の悪さに頭を悩ませていたミルドレッドはそれを断った。やがて激しい口論となり、「暗い夜道を歩いてレイプされたらどうするの？」と言うアンジェラに「レイプされればいい」と返答してしまった。そんな中、ミルドレッドは歯の治療に行く。その歯医者はウィロビーと親しい友人だったため彼女に報復しようとするが、逆にドリルで負傷させられる。歯医者は「私はミルドレッドに襲撃された、訴えてやる」と騒ぎ始めたので、ウィロビーが彼女を尋問することになったが、「何もしていない」の一点張りだった。尋問中、ウィロビーは突然吐血し、そのまま病院へと搬送されていった。自分の死期が近いと悟ったウィロビーは、退院後に妻と2人の娘と過ごす1日を設け、楽しい思い出を作った後に自殺した。ウィロビーの死が町中に知れ渡ると、「ミルドレッドが広告板を設置しなければ、署長はもっと長生きしていたはずだ」という風評が流れた。ミルドレッド一家を人殺し同然だと思い込んだ町の人々は、彼女たちに一層陰湿な嫌がらせを行うようになった。ついには、ミルドレッドが職場で見知らぬ男性客から恐喝されるに至った。ウィロビーの死に憤慨したのはディクソンも同じだった。ディクソンはレッドが経営する広告代理店に押し入り、レッドとそのアシスタントを暴行し、レッドを2階の窓から突き落とした。ディクソンの一連の暴挙はウィロビーの後任であるアバークロンビー署長に目撃されていた。アバークロンビーは権力を乱用するディクソンを直ちに解雇した。その夜、ミルドレッドとロビーは帰宅中に3枚の広告板が燃え上がっているのを目撃した。2人は懸命に消火活動に当たったが、広告はほとんど燃え尽きてしまった。警察署ではディクソンはウィロビーから届いた最期の手紙を読んでいた。そこには「お前が犯罪捜査の第一線で活躍したいと願っていると知ってから、何とか助けになってやりたいと思っていた。しかし、病のためにそれも叶わなくなってしまった。お前の欠点はすぐにキレることだ。警察官に最も必要なのは愛だ。そうすれば、もっと良い警察官になれる。ゲイだとバカにする奴がいたら、同性愛差別で逮捕しろ。」と書いてあった。改心したディクソンはそれまでいい加減にやっていたアンジェラの事件の捜査に本気で取り組もうと決心したが、そこで思わぬ事態が発生した。広告板は警察に放火されたと考えたミルドレッドは報復のため火炎瓶で警察署に放火した。署内で音楽を聴きながらウィロビーの手紙を読んでいたディクソンは放火に気が付かず逃げ遅れたが、大火傷を負いながらもアンジェラの事件の資料が燃えるのを守った。偶然その場を通りすがったミルドレッドの友人のジェームズはディクソンを救助し、警察にはミルドレッドが放火犯だと察しつつも「彼女は自分と一緒にいた、火事とは関係ない」と証言した。大火傷を負ったディクソンが入院すると自分が暴行したレッドと同室だった。ディクソンは顔が包帯で隠れていたため当初は気づかれなかったのだが、レッドの優しい対応を受けるうちに涙を流し、「窓から突き落として悪かった」と謝罪した。レッドは相手がディクソンだと気づき驚きはしたが、糾弾することなくオレンジジュースを差し出した。一方、ミルドレッドのもとにはウィロビーからの最期の手紙が届いていた。内容は「自分が自殺するのと広告板は関係ない。君の気持ちはわかるが、警察にもどうしようもない事件というのは存在する。憎しみだけで生きないでほしい。」というものだった。更に彼は広告板の維持費として彼女に5000ドルを贈っていた。焼けた広告板は予備の張り紙を使用することで再掲され、ウィロビーが死んでも広告のメッセージは変更しなかった。放火の際に助けられたジェームズに恩義を感じていたミルドレッドは彼と食事に行くが、同じレストランに元夫のチャーリーが現れる。ジェームズが席を外している間にチャーリーは、広告板は酔った勢いで自分が燃やしてしまったと告白する。チャーリーに憤慨するミルドレッドはジェームズに八つ当たりのような接し方となってしまい、ジェームズは「俺は苦しんでる君を支えたかっただけなのに」と帰ってしまった。ジェームズを傷つけてしまったミルドレッドはチャーリーを責めることなくワインを贈り、その場を去った。退院したディクソンがバーで酒を飲んでいると後ろの席で男が話していた。彼は以前ミルドレッドの店に現れ恐喝した男だった。会話の内容は9か月前に女性をレイプして焼き殺したことを自慢気に語るものだった。ディクソンはその男がアンジェラを殺した犯人だと推測し、車のナンバーから住所がアイダホ州であることを確認すると、ひどい暴行を受けながらも相手の皮膚を爪でかきむしり、DNAを採取することに成功した。ディクソンはミルドレッドに男のことを話し、二人は和解した。ところが、DNA鑑定の結果その男はアンジェラの事件とは関係がなく、アンジェラが殺された時期には軍の任務でアメリカを離れてある砂漠の国にいたという強力なアリバイもあった。ディクソンとミルドレッドは落胆するが、ディクソンはその男は事件と関係がなくても、レイプ犯であることは間違いないためアイダホに行くと言うと、ミルトレッドも同行することを決意する。ミルドレッドは息子に、ディクソンは母親に別れを告げ、アイダホへ向かう。ミルドレッドが警察署に放火したのは自分だと告白すると、驚きもせず「あんた以外に誰がいる？」とあっさり返された。道中、男を殺すことについてどう思うかについて「道々、決めていこう」と語り、物語は幕を閉じる。