洗钱商姚扶琳来到侦探上苙丞破败的事务所，打算将他 1.4 亿多日元的巨债统一收归己有。黑发女子渡良瀬莉世找上门来，委托上苙丞调查一桩十多年前的旧案。莉世的记忆断断续续，怀疑自己小学时杀过人。当年她刚上小学，单亲母亲突然宣布搬家，把她带进一座深山。那是一个被悬崖环抱的封闭村落，是新兴宗教“血之救赎”的根据地，严禁使用现代科技。村里只有一台巨大的铁水车日夜运转，靠它发电来维持全村唯一一台存放肉类的冰箱。村里除她和高年级的堂仁身穿白衣，其余 31 名信徒一律身着红衣。堂仁聪明伶俐，被单亲母亲持刀以死相逼，才不得不来到这里。作为同龄人，他经常耐心地照顾莉世。
上苙丞向姚扶琳解释，“血之救赎”是个极端教团，强行将阿米什人的生活方式与日本神道教缝合在一起。当年，该教团曾引发一起轰动全国的惨案。莉世是唯一的幸存者，而堂仁早已在惨案中丧生。
莉世继续回忆。村子坐落在盆地中，四周悬崖环抱，高 30 多米，岩质脆弱。村里曾遭火灾，重建后缺乏合用的大木料，做不出长梯。崖边的树木藤蔓也砍伐一空，地面涂抹石膏，防范外人射箭拉绳，崖顶还装有传感器。唯一的出入口是东侧的“洞门”，平时铁门紧闭，只有特定交易日才会开启。堂仁觉得无法用自制弓箭架设绳索，便计划用捕鱼炸药制作发射装置，以此飞越悬崖。他还打算混入商队，或者争取晋升干部，毕竟只有教祖和干部才知道传感器的具体位置。莉世不忍心小猪挨宰，与堂仁一起将一只小猪藏在西侧半山腰“拜日之祠”祭坛下方的坑洞里。祭坛上覆红布，是堂仁用轻便泡沫塑料做的，分上下两层。上层摆着日本刀，还有一面盖着黑布的镜子，一碰就倒，下层则放着莉世每天更换的供品。堂仁特意叮嘱莉世，一定要用黑布盖好镜子。祠堂左侧是一道瀑布，溪水向东流淌，穿过洞门。溪流北侧是左岸，上游建有水车、家畜小屋，下游设有木桥、慰灵塔、深达 60 米的天然落水洞“垃圾场”。左岸还有农田，以及教祖的居室兼食料库，钥匙由教祖亲自保管。溪流南侧是右岸，坐落着宿舍和拜殿。堂仁曾告诉莉世，只有能展现神迹的“圣人”才能让吃掉的家畜灵魂复苏。地面突然剧烈震动，莉世滚下石阶，摔断了右腿。她惊恐地望去，只见瀑布瞬间断流，水车也随之停转。
惨剧就此拉开帷幕。地震过后，教祖把瀑布干涸看作大难临头的凶兆，动用所有炸药炸毁了洞门，将村子彻底变成一间巨大的密室。由于宿舍在地震中倒塌，全体信徒集中到“拜殿”同吃同住，每天只能吃一顿晚饭。堂仁给莉世做了简易的石膏夹板和拐杖。莉世行动不便，整天待在拜殿里。教团举办“最后的晚餐”那天，莉世精心打扮，而母亲自瀑布干涸后便神情呆滞。晚餐结束，教祖开始为期 3 天的“入禊”闭关。大厅里燃起“护摩火”，散发出甜腻的香气。教祖借着火堆后方的阴影脱去衣物，用食料库取来的水盆擦洗身体，只留堂仁一人在旁伺候更衣。沐浴更衣完毕，教祖和堂仁一同走进拜殿深处的“祈祷之间”，可还不到 1 分钟，堂仁便脸色惨白地退了出来。他反锁房门，径直离开了拜殿。3 天后仪式结束，拜殿大門贴满符咒，彻底封死。堂仁把教祖扛了出来，安置在火堆前的坐垫上，让他背对众人，自己退到信徒后排。一片死寂中，前方传来教祖低沉的诵经声。信徒们纷纷按照要求，低头闭眼跟着合诵。没过多久，教祖突然疯狂地挥舞起斧头，在人群中大开杀戒，四处斩首。
姚扶琳对教祖的疯狂行径大惑不解。上苙丞解释道，这多半是受了末日预言的影响。教祖把断水当成世界末日的先兆，用沉重的斧头斩首，则是模仿基督教圣人殉教的方式，企图以此“净化”信徒，带他们升入天堂。
在一片血雨腥风中，莉世的母亲将她拼命护在身下，自己却惨遭斩首。堂仁猛冲过来，一把将她拽起。他扯掉铁门上的符咒，推开沉重的大門把她送了出去，随即拉下沉重的铁门闩，将教祖和其余 31 名信徒反锁在熊熊燃烧的拜殿里。堂仁用兜帽捂住两人的口鼻阻挡浓烟，往莉世怀里塞了个东西，便抱着她一路狂奔。莉世吸入太多浓烟，昏了过去。等她醒来时，人已在村子最西侧的“拜日之祠”。初升的旭日洒下晨光，她睁开眼，却看见堂仁身首异处，无头的尸身倒在前方，滚落的头颅正盯着她。
姚扶琳指出，这是一起针对莉世本人的“逆密室”不可能犯罪。悬崖监控显示，案发期间并无外人进出。事后，搜救队地毯式搜查了深达 60 米的天然落水洞“垃圾场”，同样一无所获。除死在祠堂的堂仁外，其余 31 具尸体全在拜殿内，而拜殿大門从外部反锁。莉世当时骨折，无力搬动沉重的铁门闩，凶手只能是她自己。莉世坚决否认：警方在数十米外发现重达 50 公斤的杠杆式断头台，确证为斩首堂仁的凶器。她当时骨折拄拐，山路崎岖，绝无可能将刀刃运至祠堂行凶，更无法搬运无头尸体。此外，瀑布早已干涸，也排除了利用水车自动回收凶器的机械机关。她提出一个荒诞的假设：堂仁被斩首后，是那具无头尸体抱着她走到了祠堂。上苙丞兴奋不已，决定运用“穷竭法”排除所有自然与人为的可能，从而证明这是一场超自然的“奇迹”。
拜殿仅外部受火灾损毁，内部结构完好。警方确认，31 具尸体中，有 30 具因颈骨断裂或受损死亡，其中包括遭完全斩首的莉世母亲。部分信徒留有持短刀自刎的痕迹，所有遭斩首的尸体，其头颅与躯干均完整保留在拜殿内，唯有一具焦尸在护摩火灰烬中发现，推测是教祖自焚。莉世在案发约 2 周后获救，期间靠祠堂的储备水、深坑里未开封的奶粉勉强维生。警方推测这些物资是堂仁为防余震提前搬运的，事后也证实食料库确实在余震中坍塌。水车残骸中发现了慰灵塔的木料，水车旁停着一辆家畜手推车，祠堂的祭坛也已倾倒。正值盛夏，堂仁的尸体严重腐烂发臭，还遭到苍蝇、小猪等动物啃咬。除颈部切口外，已无法辨明是否有其他外伤。莉世为了躲避恶臭，后期搬到了干涸河床的桥下居住。现场血迹同样混乱，拜殿内血液大量混合，祠堂又混入杀鸡的血迹，加之风雨冲刷，最终警方仅在断头台、刀刃及两人衣服上明确检出堂仁的血迹，而莉世衣服上的血迹绝大部分属于她母亲。上苙丞向莉世递交报告书，试图用穷竭法洗清她的嫌疑。前检察官大門闯入，提出“恶魔的证明”赌局。他构想物理上可行的作案假说，上苙丞必须用严谨逻辑证明其不成立，否则“奇迹证明”失败。
深秋时节，众人如期前往深大寺展开对决。大門指出，此案最不可思议的核心在于“凶器消失诡计”——凶手究竟如何将重达 50 公斤的刀刃，从祠堂转移回家畜小屋？他提出了一个源自《半七捕物帐》的极端假说。
莉世日记记录猪群逃跑时，将 12 号猪掉落的号码牌随手递给堂仁，堂仁瞬间认出那是“12”号。号码牌上的数字采用类似电子数码管的方正字体。由于字形对称，“12”上下颠倒后，看起来与“21”一模一样。如果当时村里的活猪总数超过 20 只，堂仁接过横放的牌子时，必会在“12”和“21”之间产生犹豫。他反应毫不迟疑，证明当时村里的猪不超过 20 只。既然当时正准备宰杀 12 号，且 11 号母猪已经病死，说明 11 号之前的成年猪已全部不在，村里最多只剩下 12-20 号这 9 只猪。在案发前的“最后的晚餐”上，包括教祖在内的全村 33 人，每人都分到了一只猪蹄。按一头猪 4 条腿计算，至少需要屠宰 9 只猪才能凑齐分量。活猪上限是 9 只，当晚消耗的下限也是 9 只，证明集会当晚，村里的成年猪已全部宰杀殆尽。
大門爽快认输。姚扶琳的旧识宋儷西突然现身。她砸碎事务所的窗户潜入室内，根据《圣经》红线的提示破解了电脑密码，强行抹去上苙丞电脑里的所有数据，将报告书原件锁入手提箱。她要求上苙丞接受自己的推理挑战，带着大門扬长而去。
几天后，众人如期赴约，前往横滨中华街的一家高级料理店。席间，宋儷西唤起姚扶琳昔日混迹黑道时的绰号“老佛爷”，自称“西王母”。她挑明设局的真正意图：要挟姚扶琳重出江湖，与她联手重掌地下世界。宋儷西启动暗藏机关，将上苙丞弹飞，锁入注水的透明水槽中。她限令姚扶琳在 30 分钟内破解这套物理诡计，否则上苙丞将遭受酷刑。姚扶琳的几次猜测均被驳回，但她从宋儷西提到的“惩罚椅子”和弹飞机关获得灵感，看穿真相。
宋儷西得意地展开折扇，上面写着“WATER WHEEL TREBUCHET（水车投石机）”，姚扶琳确实猜中了核心，但宋儷西傲慢地指出，这仍无法解释堂仁为何身首异处。水槽内的上苙丞利用激光笔加热软化亚克力槽壁，踹开缺口，成功脱困。他拒绝反驳不完整的假说。宋儷西无奈妥协，补全了作案动机。
宋儷西翻阅报告书原件，发现上苙丞早在“重力动力源机械射出装置”一章中写明了相同的论证，推翻了这种可能。她心悦诚服，交还了钥匙。黄昏时分，众人在公园突遇跨国杀手 Alexei 袭击。杀手射出毒镖，千钧一发之际，上苙丞挺身护住莉世，自己却不幸中镖，命悬一线。杀手声称探长身中剧毒，设下 1 小时推理对决的赌局，换取血清。姚扶琳确信幕后黑手就是“意大利人”，只得接下赌局。杀手抛出“身份替换”假说，认为当年带莉世逃出拜殿的并非堂仁，而是凶手互换身份，借此逃离密室。姚扶琳当即列出铁证予以反驳：加上祠堂里的堂仁，现场共发现三十二具尸体，人数与除莉世外的教团总人数完全吻合。若凶手替换堂仁逃脱，外锁的拜殿内必然会少一具尸体。除非凶手逃脱后又折返自杀，但这在逻辑上完全说不通。面对这番无懈可击的反驳，杀手毫无惧色，反而退到一旁，笑称自己只是个传话的“暖场嘉宾”，真正的主角另有其人。话音刚落，上苙丞昔日的天才助手八ツ星聯现身。他将恩师比作执迷通灵的 Conan Doyle，自比为揭穿骗局的 Houdini。
八ツ星聯崩溃大哭。夜色中，委托人渡良瀬莉世缓缓走上前，承认自己一直在说谎。上苙丞揭穿，教团信徒皆获赐“圣名”，真正的少女绝不叫莉世。委托人其实是死难者堂仁（本名渡良瀬隼人）的亲妹妹。当年她父母离异，母亲带着哥哥加入邪教，她则跟随父亲生活。幕后黑手是梵蒂冈的 Cavaliere 枢机主教，当年他全盘否定了上苙丞母亲“蓝发圣女”的奇迹，导致她凄凉离世。少年上苙丞要求重新验证，对方却让他先证明奇迹存在，这便是他一生执着于证明“奇迹”的根源。委托人坦言，她成年后找到了真正的幸存者莉世，对方却满脸幸福地讲起“无头堂仁显现奇迹救下自己”的荒诞往事。她悲愤交加，无法接受哥哥的牺牲被粉饰为荒唐美谈，认定莉世是在撒谎脱罪。她暗下决心，一旦奇迹被证伪，便化身复仇女鬼，除掉莉世。枢机主教借委托人之口，抛出终极杀招“否定之否定”。
最终，枢机主教承诺重新审查圣女奇迹。委托人热泪盈眶，跪谢探长驱散了所有恶意，拯救了她的灵魂。上苙丞则力竭昏迷。
【幕间】当年惨案当晚的逃亡路上，年幼的莉世半梦半醒，觉得“无头”的堂仁正抱着自己走向祠堂。她怀抱堂仁的头颅，两人展开了不可思议的对话。莉世哭求堂仁将自己一并斩首，堂仁温柔安抚，承诺死后会如“无头圣人”般复活，约定 100 年后回来接她。莉世吸入浓烟，渐渐沉睡。
黑市诊所的病房里，姚扶琳不明白上苙丞为何不交报告书。上苙丞在逻辑上遗漏了最后一种无法证伪的物理假说，那是一个基于人性善意的解答。
书名酷毙。全篇充满了大小机械性诡计和诡异的伏线。一重否定的伏线严格来说是老梗，但结合怪异的切入点一起使用，产生了奇异的效果。结尾逆密室解答的动机悲情，耐人寻味。腰封由麻耶来写真是再合适不过了——“否定之否定”的逻辑既漂亮又有趣，颇有当年麻耶的反推理风范。