【序章】叙述者出田收到旧友岩間的绝交信，宣告两人不再见面。此时两人修完硕士课程，准备攻读博士，出田前往京都深造，岩間留在东京。两人相识于綱長井高中，交情九年。出田研究生态学，岩間研究医学，两人因学术理念分歧产生冲突。出田回忆起高中时期“意想不到的夏天”。
高二那年七月，綱長井高中期末考放榜的日子。理学部的物理、化学、生物三个部门表现强势，直接包揽了前八名中的六名。放学后，物理部部长御影昭文、化学部部长本郷汀、生物部部长唐戸在视听教室宣布举行“理学部オリ”竞赛。该赛事由企业赞助，定于 7 月 20-21 日在綱長井市区通宵进行，利用 LiveU 技术直播。一年级选手名单：物理部日知光之、渡稀丈，化学部戸隠昇磨、御影綾，生物部出田、岩間。周六，为了备战比赛，岩間约出田去市立中央图书馆突击物理和数学，期间掏出晶体管、LED 灯等电子元件演示。两人移步至图书馆咖啡厅，新手服务员不慎给两人发了不同的菜单：岩間那份印有季节限定的“桃子芭菲”，出田手里却是份普通菜单。出田爱吃水果，但担心待遇不均令岩間尴尬，便谎称菜单已被收走，悄悄把普通菜单藏在膝盖上，点了一份巧克力香蕉芭菲。在等餐时，岩間在桌上继续演示光通信原理，中途突然用勺子挖出自己杯里的桃子，喂给出田吃。
入夜后，出田整理笔袋时发现了半张黑色卡片，显然有人白天在图书馆偷偷塞了进去，上面印了一行烫金字警告：“理学部オリ受邀者中有冒牌货。”
7 月 20 日周六早上 8 点，理学部オリ在体育馆正式启动。化学部部长本郷汀与物理部部长御影昭文向众人介绍了 12 位企业赞助商。本郷宣布：出田、渡稀丈、御影綾组成“专家组”X 队，日知光之、戸隠昇磨、岩間理桜组成“通才组”Y 队，其余一年级学生组成 Z 队。日知私下找到出田，两人各自收到的半张卡片，拼成：“理学部オリ受邀者中有冒牌货。不要让任何人察觉，秘密找出冒牌货。”之前的“天狗祭事件”导致理学部与某强大势力结怨，财务出现亏空，本次活动便是为了拉来新的企业赞助。日知推断，有人想通过制造人为事故，阻止理学部筹款。
上午 10 点，首项课题“理学部オリ杀人事件”开启，这是一场实景剧本杀与城市定向越野的结合。两支队伍需要解开三道复杂的理数题，找到分布在市内的三个地点：观音窟、越崎隧道、綱長井车站。他们得在这些“案发现场”搜集线索，在下午 3 点前赶回学校，指认虚构案件“女生 E 美观音窟脚手架坠亡案的真凶。
Y 队的戸隠昇磨借助日知对公交时刻表、元素周期表、遗传密码的惊人记忆力，只花三分钟就解出了所有题目。在最远的观音窟，他们通过计算树木重心顺利拿到了关于嫌疑人 A、B 的线索，确认了脚手架的细节。在綱長井车站，戸隠利用他对电阻色环的精通解开了电子锁，还故意利用规则，把电阻丝网锁改得复杂无比，给后面的 X 队挖了坑。在此期间，他们偶遇了赞助商瀑間，日知对电阻话题表现出了异样的敏感。在越崎隧道，他们又靠着日知的记忆破解了周期表谜题。他们最早赶回本部提交了答案，真凶是利用 Dr. D 发明的“空间传送装置”伪造不在场证明的 B 子。
X 队由于解题慢了一拍，错过了最佳班次的公交，只能先去较近的检查点。在越崎隧道，面对一滩伪装成水银的液态金属，出田灵机一动，用茶水的温度使其凝固，认出那是液态镓，从而解开了线索，拿到了嫌疑人 C、D 的情况及作案时间。等赶到綱長井车站，他们果然被 Y 队留下的电阻锁难住了，渡稀丈耗费大量时间才破解成功，拿到了一枚缠着红白纤维的螺栓。在观音窟，出田记挂着卡片的警告，坚持先去探路。他骑在御影綾的肩头，爬上了悬崖边的金属脚手架，踏板突然崩塌，渡稀和御影死死拽住出田，才没让他跌落深谷。三人踩着只剩骨架的脚手架拿到了代表“高次元传送装置”的呼啦圈，总算赶在截止时间前交上了答卷。
观音窟的塌架事故被校友赞助商瀑間和鞍内联手压了下去，对外只说是场微不足道的小意外。傍晚，“理科游戏”课题正式拉开帷幕，涵盖物理、化学、生物三项竞技，关系到次日终极挑战的出发顺位。物理竞技是土豆炮飞镖。X 队与 Y 队僵持不下，Z 队请出了物理部二年级的“怪才”百沢学姐，她仅凭对风向和湿度的直觉感应，最后一投正中红心，甚至在半空中击碎了御影射出的土豆，以神技夺冠。化学竞技要制作酸性最强的粉末。为了抢夺原材料柠檬汁，各队决定通过掰手腕定胜负。文弱的日知利用赛前从岩間那儿练就的力学技巧，竟掀翻了 X 队的壮汉渡稀，为 Y 队抢占了先机。然而，Z 队的水崎谎称头痛，从校方骗来阿司匹林，现场水解成极酸的水杨酸晶体，再度反杀夺魁。生物竞技是捉虫大战。出田终于发挥出专长，用理学部的白大褂蒙住光源，自制成高效的灯光诱捕陷阱，凭一己之力帮 X 队拿下了这一项的第一。三项竞技结束，Z 队凭借两项第一，拿到了次日的先发优势。
晚餐后，按照传统，出田和岩間被选为代表去点燃篝火。两人用镁带引燃铝热剂，不想篝火里竟被掺进了硝酸铵炸弹，猛烈的爆炸气浪掀翻了一切。生死关头，出田本能地扑向岩間，死死将她护在身下。万幸本郷预感不妙，临时改了点火方式，才没人受重伤。深夜，出田在桑拿房与日知、部长御影昭文密谈。御影承认，第一课题的脚手架确实是本郷布下的饵，想诱使凶手现身，可惜监控被飞蛾挡住，没拍到真凶。岩間在露天浴池撞见了赞助商 Claire，发现她身上布满了疑似烟头烫伤的陈旧痕迹，Claire 暗示自己曾有过一段黑暗往事。出田来到天台散心，遇到了部长的妹妹御影綾，得知明天挑战的奖杯终点就藏在学校建筑的最高处。
7 月 21 日，理学部オリ活动的第二天清晨。出田、日知与物理部部长御影昭文、百沢学姐在操场秘密会合。百沢亲口舔了事故现场回收的金属管，精准分析出了脚手架崩塌的真相。
下午 1 点，第三轮挑战“工学定向越野”正式开赛。规则要求三人一组行动，全程录像，目标是寻获藏在校园某处的优胜奖杯。凭借前两轮的积分优势，Y 队率先出发。比赛过程中，X 队与 Y 队达成了战术合作。他们拼凑出各自掌握的互补线索，合力解开了频率为“80 MHz”的谜题。第一站是车站天桥，岩間利用出田提供的改造长线耳机充当临时天线，成功接收到 FM 广播里的暗号，指向中央图书馆。赶到图书馆后，众人戴上偏光太阳镜，在看似全白的显示器屏幕上发现了隐藏的摩斯密码，解读出：“去聆听闪耀之树的歌声”。下午 3 点，中央商店街的圣诞树亮起，出田所在的 X 队及时赶到。他们利用 LED 的光电效应将其作为接收器，从彩灯高频闪烁的信号中提取出音频：“去学校最高处”。为了引出真凶，众人利用规则漏洞，让 X 队的摄像师渡稀与 Y 队的摄像师日知互换身份。渡稀跟随 Y 队前往教学楼屋顶取奖杯，以此制造两队同时夺冠的“双赢”局面，而出田、日知则在御影綾的带领下，故意大张旗鼓地前往后山，声称那里才是所谓的最高点，诱敌现身。
计划果然奏效。在后山悬崖处，瀑間企图破坏登山锁链，制造另一起致命事故。出田躲在暗处，利用长焦镜头拍下了瀑間破坏公物的全过程。瀑間意识到中计，恼羞成怒地将日知推下悬崖，致其受伤。潜伏在一旁的御影綾果断出手，利用断裂的锁链从背后勒晕了暴徒瀑間。日知揭穿了瀑間的动机：企图通过一系列破坏行为，将罪名嫁祸给同行业的竞争对手鞍内。与此同时，教学楼内也传来了捷报。戸隠凭借惊人的计算力，瞬间解开了御影綾预设的数道高难度数学题，岩間与渡稀同时登上屋顶最高点，在镜头前共同抓住了奖杯，实现了完美的双冠剧本。
比赛结束后的第二天下午，出田、日知与御影昭文、御影绫在咖啡馆见面。御影昭文透露，瀑間是受了綱長井高中校友吊生集团首脑的指使，企图通过破坏活动，阻挠理学部重拾社会影响力。然而，御影和瀑間都都对那张神秘的黑色警告卡毫不知情。当晚，获胜的 X 队与 Y 队在高级烤肉店举办庆功宴。戸隠发现，本郷部长最初准备的餐券刚好是六张，或许他从一开始就预料到了两队会联手，也料到了双冠军的结局。
次日，在生物部活动室里，唐戸部长带来了一本更新后的相册。出田与岩間翻阅相册，发现二十多年前，岩間的父亲（当年的化学部优胜者）与出田的父亲（当年的生物部点火代表）居然并排站在一起，暗示两人父辈时期就有过类似的竞争与羁绊。他们在十二年前的照片里认出了一位名为“下村玲知”的学姐。
系列的第三作，依然保持了大量的“理科推理”风格，将高中理科知识（如液态金属脆化、铝热反应、光电效应、偏振光、调频广播）融入到谜题设计和犯罪诡计中，特别是利用科学原理进行的“物理、化学、生物”三项对抗赛，生动有趣，展现了各角色的特长。作为青春推理，男女主角之间朦胧而理性的情感描写动人心弦，结尾的共同胜利与未来的遗憾结局形成对比，余韵悠长。
