《这个杀手不太冷》的导演曾说这是关于两个孩子的爱情故事。里昂已经老了，但是还没成熟；马蒂尔达还小但是她已经成熟了。成年人的感情复杂且婉转，两个孩子的爱情简单且直接。
里昂是名孤独的职业杀手，独来独往，平时除了到商店买两盒奶，他的生活只剩下一盆没有根的植物，他总是悉心照料着盆栽的每一片叶子，无论搬多少次家都会带着它。里昂说他和这个盆栽一样，没有根，他是自己唯一的好朋友。直到他遇到了14岁的问题少女马蒂尔达。
马蒂尔达住在里昂隔壁，初次相遇，里昂看到的是脸上带着伤的抽着烟的马蒂尔达。马蒂尔达和毒贩子父亲，继母，姐姐，还有四岁的弟弟居住在一起。父亲和继母总是拿她出气，姐姐也总是欺负她，她只能和四岁的弟弟相互取暖，但是家庭的环境让马蒂尔达变成一个思想成熟的，满口脏话的逃学问题少女。
再一次和里昂相遇时，马蒂尔达提议帮里昂买牛奶，里昂答应了。于是马蒂尔达躲过了一场灾难。当她经过家门前的楼道时，发现一家人由于父亲私吞毒品而被警察史丹灭门了，就连四岁的弟弟都没放过。机智的马蒂尔达忍着眼泪按了里昂家的门铃。
当里昂开门救了马蒂尔达的那一刻起，他们的命运就被捆绑在了一起。里昂杀人是有原则的他不杀女人，不杀小孩，于是他要求马蒂尔达住一晚后就离开去投奔亲戚，而马蒂尔达发现里昂是杀手之后认为里昂很酷，并向雇佣里昂教她报仇的技能，她不能接受四岁的弟弟被杀害的事实。
马蒂尔达说服里昂留下自己，并告诉里昂她也可以教他认字，而且她自己总有一天也会动手的，或者她第二天就会死去。里昂终于答应留下马蒂尔达，他们搬了家。他开始教马蒂尔达使用武器。每天重复练习使用武器学习做杀手的生活实在太枯燥了，马蒂尔达提出和里昂玩角色扮演的游戏，他们玩的很开心，给原本枯燥的生活增加了乐趣。随着相依为命的相处，马蒂尔达慢慢喜欢上这个不太冷的杀手。里昂的心也渐渐暖了起来。他开始有了后顾之忧，甚至找了自己的雇佣者东尼，告诉他如果自己发生意外，希望自己所有的钱可以留给马蒂尔达。他们已经离不开彼此了。
为了马蒂尔达，里昂开始瞒着马蒂尔达，执行为她报仇的计划。而另一边马蒂尔达找到史丹的行踪，她决定自己去报仇，可是很快她就被识破并被抓住了。执行完任务发现马蒂尔达留言的里昂立马冲到史丹办公的行政大楼救出了马蒂尔达。两人的感情因为这次意外迅速升温。这一夜，里昂第一次睡到了床上，这是里昂做杀手以来第一次睡到床上，并和马蒂尔达相拥而眠。他终于体会到人生的滋味，有温度有牵挂。
然而幸福的时刻总是短暂的。第二天出去买牛奶的马蒂尔达被警察抓住了，他们还包围了里昂的住处。里昂拼尽全力把马蒂尔达和盆栽从排风口送走。他这次下定了决心，逃出去就带马蒂尔达从此离开这个杀戮的地方。但是只差最后一步，他还是被史丹从背后偷袭了，心系马蒂尔达的里昂最后把拉环放到史丹手里，告诉他这是马蒂尔达送给他的礼物。随着一声巨响，里昂和疯狂的史丹同归于尽了。
马蒂尔达带着里昂心爱的盆栽到了学校。她从此将在那里留下来。她把盆栽移植到院子里，代表里昂从此有了根，将和她永远在一起。她也知道里昂对她的爱，他们的爱一直很简单，相互取暖，相互依赖。这一次里昂终于没有遗憾了，他成功救出了马蒂尔达，也解救了自己的心。
