主角天内晴麻和他的朋友網船至为花坛浇水，学生会长加賀峰弥生前来询问他们各自所在的文学研究会和美术部为 12 月 9 日举行的学园祭准备的活动。她行为古怪，在大冷天感觉炎热，脱下了运动服。学校的教头先生也来到花坛边，向众人提起了一个关于青崎高校的古老传说：在学园祭当天，一个平时无法进入的特殊场所会对外开放，里面藏着一件能让人无法说谎的神秘宝物。
天内晴麻与冷堂紅葉陪同朋友 Calvin Klein 来到 JRA（日本中央竞马会）赛马场。Calvin 的家族是黑道组织呉院組，正在 VIP 室接待权贵。他们在那里见到了 Calvin 的父亲、呉院組组长 Georgio Klein，以及行为怪异的农林水产大臣葉茂了子。天内注意到葉茂使用一个卡片状的指向性扬声器进行网络会议。另一黑道组织駿河組的干部鋸切兵人随后到来，向 Georgio 发起了一场赌马对决，第一场赌局的赌注为十亿日元。Georgio 选择了大热门“モンモンコマリン”，但该马在比赛中途突然不自然地减速，导致 Georgio 落败。鋸切随即加码至二十亿日元进行第二场对决，这一次 Georgio 选择的“领头马” Zero Drop 竟从开场就一直垫底，最终惨败。天内怀疑其中有诈，决定与冷堂接吻，发动时间回溯异能，回到第一场赌局结束后。天内提议更改规则，要求双方将选择的马名写在纸上交给葉茂保管，直到比赛结束后再公布，这使得鋸切无法提前知晓目标。他接着建议 Georgio 押注在前一时间线中获胜的马アカリメノウ。比赛开始之际，天内又关闭了 VIP 室的窗帘，阻止了鋸切观察赛况，要求他将双手从口袋里拿出来。鋸切的骗术被彻底封锁，最终アカリメノウ获胜，Georgio 反败为胜。事后，在返回的礼车上，天内解释了鋸切的诡计。ジョルジオ对天内大加赞赏，承诺会报答这份人情。
天内、冷堂、宮川愛在文学研究会的活动室里讨论着学园祭的安排以及教头提到的宝物传说。芦原伊代也加入，提及她是唯一去探望因谋杀未遂被收容的前社员塩江蜜柑的人。鋸切兵人造访了カルバン的家，向他打听关于青崎高校里那件神秘宝物的情报。青崎高校学园祭开幕当天，天内和冷堂从カルバン处得知，有人出价五百亿日元悬赏宝物。他们前往宮川和芦原班级举办的中式茶馆，偶遇了女刑警湯之宮。教头先生几天前失踪，湯之宮来学校调查。学生会长加賀峰前来为“青崎小姐”选美比赛招募选手，成功说服宮川参赛。天内注意到加賀峰的手臂上贴着一张心形的纹身贴纸。芦原邀请天内一同参加一个名为“青崎高校图书馆密室杀人”的解谜游戏，密室现场用标准旋钮锁从内部锁住。天内和芦原成功解开了密室诡计。
犯人把一本书的中心掏空，卡在门锁旋钮上，然后利用散落在地上的书本布置成一个多米诺骨牌装置，从外部通过门缝启动多米诺机关。多米诺链的终点是一本放置在高处书架上的厚重辞典，辞典落下时会砸中并转动特制书本，从而锁上门，之后特制书本也会因撞击而掉落，不留痕迹。
天内晴麻回到中式茶馆，无意中听到鋸切和手下谈论一个“抓到却没用”的目标。由于迟迟不见冷堂，天内开始担心，四处寻找。湯之宮搜查教头先生的工作被上级突然叫停，天内推断駿河組为了得到传说中的宝物而绑架了教头。天内、Calvin Klein、三鷹ソラ决定分头行动，由三鷹负责渗透调查駿河組的内部情况，Calvin 则亲自去寻找宝物。
天内怀疑只在学园祭期间鸣响的大钟可能是关键线索。他从学生会长加賀峰处得知，大钟平时放在校长室前。天内在旧校长室门前的地毯下发现了一个通往地下室的暗门，又在地下室深处发现了一扇从内部锁住的铁门。他用锤子强行破门，发现冷堂被绑在其中，身上沾满血迹。冷堂也是循着线索找到这里，在房间里发现了一颗红色宝石，随后就被人从背后袭击打晕，宝石也不翼而飞。二人在房间里发现了一袋疑似非法药物的粉末。天内观察了现场，注意到门闩上有血迹，门闩与插孔之间存在缝隙，墙上有钉子和钉孔。天内认为事态紧急，必须阻止即将发生的更坏情况，决定再次发动异能，时间回溯到天内和冷堂身在后台的时刻。天内表示知道袭击冷堂的犯人并非駿河組，但不愿透露更多信息。他委托冷堂去向カルバン和湯之宮通报教头被绑架的情况，自己则要马上去处理一件“要事”。冷堂完成任务后，被朋友椿藍花拉去一起为宮川的选美比赛挑选服装。
天内完成了他的“要事”后，与冷堂在教室汇合，一同前往旧校舍的地下室，计划回收宝石作为谈判筹码。他们发现地下室的入口有被人动过的痕迹，而内部的铁门再次从里面被锁上，形成又一个密室。他们强行推开门，发现一名駿河組的成员死在里面，头部遭到重击，尸体的双臂被扭曲地卡在门闩的金属扣中，以此构成了门锁。死者手腕上系着一根前端烧焦的绳子，门上方墙壁有一颗钉子，死者右手指甲缝里有闪亮的颗粒物。在与冷堂讨论案情时，“二の腕”（上臂）这个词无意中触发了天内的灵感，他宣布识破了凶手及其动机。
凶手借鉴了解谜游戏中“利用时间差上锁”的思路，将死者的左臂卡入门栓，用一根长绳绑住死者的右腕并挂在门上方的高处钉子上，然后点燃绳子作为引信，在绳子烧断、右臂落下形成门闩之前，她强行弄断死者的左臂骨，从门缝中脱身。凶手是加賀峰，她持有作案所需的打火机（她是秘密吸烟者）。死者右手指甲缝中留有的闪光颗粒，与加賀峰为学园祭贴在左臂上的心形纹身贴纸的材质一致，是在搏斗中抓挠所致。加賀峰因自卫杀人，为了不让学园祭因命案中止，才制造了密室。她从现场带走的宝石已成为“青崎小姐”选美大赛的奖品。
会场广播宣布宮川愛赢得比赛，奖品正是那颗宝石，这一消息等于向駿河組暴露了宝物的下落。更糟糕的是，カルバン在电话中告知天内，被绑架的教头已在审讯中被殺害，这使得天内的时空回溯能力被锁定，无法再回到此节点之前。听到广播的鋸切兵人立即带人赶到体育馆。当他看到身穿女仆装的宮川愛时，瞬间被其魅力征服，目标从抢夺宝石升级为将宮川娶为新娘。他上台用药物迷晕了宮川，抢走宝石，将其劫持。在撤离途中，他们与前来阻止的カルバン、三鷹ソラ、湯之宮等人发生冲突。鋸切的几名“舍弟四天王”分别缠住了カルバン等人，使得鋸切得以带着宮川和司机水戸秋夜乘车逃离。天内和冷堂骑着摩托车紧追不舍，经过一番激烈的公路追逐，将鋸切的车逼停在码头工厂区。司机水戸秋夜是一位异能力者，其名为“浄磁火能”的能力可以进行远程打击，一度让天内陷入苦战。天内将水戸引诱到一个废弃工厂，击落了水戸藏身处正上方的巨大照明灯，迫使水戸从掩体后冲出来躲避，天内用橡胶子弹和木刀将其制服。冷堂被另一名黑道成员大熊抓住，带到了鋸切面前。鋸切与出资五百亿日元的神秘委托人通话，确认了交易，集结了更多手下。危急时刻，Calvin 的父亲 Georgia 手持火箭筒赶到，以雷霆之势对工厂发动攻击。趁着混乱，天内驾驶鋸切的野马跑车冲入工厂，在 Georgio 的爆炸掩护下成功救出冷堂和宮川。死不罢休的鋸切驾车追来，与天内的车并驾齐驱，不断向天内射击。天内抓起木刀卡住鋸切的方向盘，导致其车辆失控撞毁。
事件结束后，学园祭顺利闭幕。同时传来好消息，教头并未死亡，而是在审讯中心脏病发作，被尚存良知的黑道成员大熊送医救治，已无大碍。天内与冷堂一同前往宮川家探病，天内与发烧的宮川发生了意外的亲密接触。当晚在公园里，冷堂正式向天内提出要亲自解开自己被囚禁的密室之谜，因为她意识到天内一直在刻意隐瞒真相，而这起案件与她父亲的死亡之谜惊人地相似。被捕的鋸切供出，出资五百亿委托他寻找宝物的幕后主使，是一名向他出示了警察证件的神秘人，暗示了警察内部存在着一股庞大的黑恶势力。所谓的宝物实际上是藏在地下室的毒品，其来源已不可考。天内决心挑战最初的起点，解开冷堂父亲的“不死密室”之谜。
凶手在冷堂“死亡”后仍将其捆绑，说明凶手从一开始就知道她是杀不死的，嫌疑人范围缩小到极少数知晓她不死能力的人。袭击她的凶手是她的朋友芦原伊代。芦原切断了冷堂一根手指，将其作为临时门闩，完成密室。她知道经过一段时间，由于冷堂的特殊能力，手指会自动移回本体。冷堂开玩笑说要把宝物用在宮川身上，本意是想让宮川坦白暗恋对象，但芦原误以为她要对宮川不利，出于保护挚友的目的而采取了过激行动。
包含三起密室，解法颇有北山猛邦的既视感。天内与冷堂继续保持色色的互动，应该会继续追这个系列。
