事隔近一年，天瀬啓介陪未婚妻窓音逛动物园，心思却又回到暮枝的洞穴。鋤屋和人企图灭尽羅堂家，他的计划几乎成功，那一家有血缘的人最后只剩一位。
时间退回 9 月。杂志《VXI》派自由撰稿人天瀬和摄影师町田到岐阜县暮枝，采访传说能治癌的亀恩洞泉水。引荐人石動戯作带来倉内高子和她先后取得的两份诊断书。倉内诊断为末期大肠癌，投靠保龍英利在山村的共同生活处也未见好转，后来偶然进入洞穴，浸了泉水，次日肿瘤便缩小到可以手术。天瀬看不懂诊断内容，町田怀疑是误诊。石動也未见过泉，却已替两人买好车票。
石動接两人进村。洞穴位于地主羅堂家的山上，家主真一只准他们看洞口，不许入内，也不肯让石動带专家勘查。石動想争取真一的父亲陣一郎许可。上山途中，三人经过有老人独居的蘿洞庵。洞口封着木板和带刺铁丝，蓝色塑料布卷放在木桩旁，洞口旁有一座小祠。天瀬觉得杉林里似乎有人躲藏，却没看清。附近白色岩丘上的深裂缝或许通向洞内，也可能解释倉内所说的洞顶光线。
真一的牛舍养着十二头无角黑毛牛，舍外却立着双角尖锐的青铜牛像“美濃太郎”。真一说蓝布前一天还牢牢钉着，怀疑是保龍那边的人擅自掀开。儿子哲史不喜欢养牛，雇员由香里熟悉牧舍的活计。真一每晚仍亲自配制秘方饲料，他反对在这片土地上兴建度假设施，担心游客和车流惊扰牛群。保龍拿出建筑公司“雅典建设”的企划书，开发商拟以泉水为卖点，把羅堂宅邸及周围林地改建为疗养度假区。真一坚决反对，尽管家族的土地仍登记在陣一郎名下。保龍要求免费开放洞穴，但也无法断言泉水真能治病。他只见过倉内某天浑身湿透地回来，收拾行李离去，没瞧见她是否进过洞。
保龍的住客飛鳥輝雄与一名年轻人暗中通信。他到二の橋下，从地藏像底下取出蓝色信封。信里没有署名，写信人说两人已有一周没见，请他回信，再见一面。飛鳥也想相见，却觉得继续交往会伤害彼此，决定离开暮枝。同住的火浦龍次郎患末期癌症，寄望于亀恩洞的泉。灰田虎彦没有病，腰间总系着一个显眼的黑腰包。
石動向天瀬承认，度假开发的企划源于自己交给建筑公司前辈古賀的构想。他引来杂志采访，也想借机获准调查洞穴。天瀬声明，稿子只会写所见所闻，不会替泉的疗效作宣传。陣一郎告诉天瀬，亀恩洞原称“鬼隠洞”，洞穴的旧闻可以问乡土史研究者代田朗。他双腿不能动，卧在电动床上，却仍写俳句，主持句会。他从卧室窗户能望见通往洞穴的山道，前一天看见红发的町田上山，便写了一句头发比红叶更红的俳句。此时山上的树叶其实尚未转红，羅堂家的人也有天生的红发。
出羽雁太郎说，真一养的牛至今达不到“飛驒牛”的最高等级，投入甚多，却赚不到钱。由香里从牧舍下班回来时，出羽对女儿低声说，她如今“不只是一个人的身体”。天瀬再到洞口，见蓝布已被重新钉牢，看来是真一修好的，祠前仍供着新鲜的野花。下山后，他看见窓音穿着校服回家，抱着一束淡粉色玫瑰。台风逼近，当晚哲史没有回家。次日清晨，羽柴栄照例先去祠旁供花，再去照料陣一郎，竟发现一具尸体双腋挂在树枝上。天瀬赶到时，洞口的蓝布又已剥落，尸体穿着带兜帽的雨衣，头颅砍去。
姫木警部勘查无头尸体时，法医发现头颅是在心脏停止后才被较钝的刀刃砍下的。头颅不见，死因暂时难定，死亡时间初步估为前夜 8-11 点。真一说，哲史 7 点多没来吃晚饭，车却留在家里。警方后来发现尸体的指纹与哲史房间里的指纹相合，认定死者是哲史。可若割头是为了掩盖身份，为什么还留下能验指纹的双手？暴雨冲淡了现场线索，河水又暴涨，保龍的住客只得暂住天瀬借宿的民宅。尸检随后将死亡时间缩小到 9 点前后，仍未查明死因。
避难晚餐是大家共用一锅火锅。看起来很健康的飛鳥迟疑许久，才一次盛出满满一碗，吃完就不再伸筷，第二天午饭却吃得很好。病重的火浦对飛鳥的照顾既反感又疑惑：同样来求泉水治病，飛鳥为何这样有精神？他暗中跟踪，见飛鳥去过二の橋下，也朝亀恩洞的山路走去，再跟踪灰田时，还亲眼看见灰田用撬棍撕下洞口的蓝布。火浦于是认定两人都偷偷进洞浸过泉。灰田担心警察采指纹，时常摸着腰包。他备有花钱买来的驾照，证件上的灰田虎彦确有其人。
出羽的女儿由香里曾告诉父亲，自己怀了哲史的孩子，还没告诉哲史。出羽担心女儿的将来，同时也曾暗自想过，羅堂家的土地，或许有一天会归外孙。警方从村民口中得知，哲史曾在树林里揪住飛鳥的衣襟争执，飛鳥吓得逃开。台风那天，窓音曾带粉红玫瑰探望陣一郎，如今花插在蘿洞庵的花瓶里。姫木从窗边望见通往山上的路，怀疑老人也许看见过什么。
栄为哲史守夜，从腋下轻松托起体重约四十公斤的陣一郎，由猿辺托着他的双腿。真一接手后，反而抱得摇摇晃晃。新宅的门廊和玄关都有高台阶，却没有供轮椅通行的坡道。守夜席上，真一反对度假开发，陣一郎提醒他，土地仍登记在自己名下，父子发生争执。石動注意到，尸体的皮带扣在右侧，而哲史惯用右手，通常会把皮带扣系在左侧。他推测有人站在死者面前，替他重新把皮带穿进裤子，弄反了方向。
警方搜查飛鳥的行李，找到十来封没有邮票和署名的蓝色情书。村人猜是由香里写的，怀疑她与哲史、飛鳥有感情纠葛。出羽听信女儿怀孕的说法，抓住飛鳥的衣襟质问，飛鳥吓得躲到姫木身后，连声求他别动手。石動请出羽辨认信封上的字，出羽说那不是女儿的笔迹，由香里认出是哲史所写。飛鳥这才说起两人在二の橋相识相爱，依哲史的提议，以桥下地藏作信箱。哲史盼着随他去东京，飛鳥也爱哲史，却因感染了艾滋病病毒，尚未发病，一直与他保持距离。两人曾在山上幽会，先前被人看见的争执便与这种疏远有关。石動还指出，飛鳥在共用的火锅里只取过一次菜，次日午饭却吃得很好。他知道同锅吃饭不会传播病毒，心里仍有顾虑。出羽抓住他时，他怕挨打后血溅到别人，才会如此惊恐。由香里随后承认，怀孕是她编的谎话。她想借此逼哲史与自己结婚，哪怕只是名义上的夫妻，父亲却信以为真。姫木认为飛鳥的嫌疑尚未完全消除，仍带他去警署问话。
天瀬留下参加陣一郎的句会。作句前，他看见哲史的叔父美雄提着大布包从山路回来，美雄说自己刚去看过洞穴。句会上，天瀬写下“秋晴下牛舍里牛的白角”。代田嫌“牛”字重复，也觉得白角突兀，陣一郎却说保留原句也好。散会后，真一照例在晚饭后出门配制牛饲料。当天夜里，村民传来消息，真一死在牛舍旁，腹部被青铜牛像的角刺伤。
真一晚饭后照例去牛舍配制次日的饲料，近 2 小时仍未回来，善次与美雄便开 Volvo 去找，分头查看。善次走向牛舍后方的小屋，听见美雄惊叫，赶回时看见他正把真一从青铜牛像上放下。法医查出，真一腹部先受刺伤，之后被绳索勒死，死亡时间约为晚上 7 点，牛舍存放饲料的箱子还是空的。善次、美雄称真一离家后两人一直待在宅邸，警方一时认为他们有不在场证明。村民想起童谣中的斩鬼头与牛角鬼，惊恐地猜测两桩命案是有人依歌行凶。
代田拿出《鬼隐洞歌》给石動、天瀬看。歌中写高光公寻路而来，在桥上相逢，穿过“鬼的下颚”，从“虚的下方”入洞，斩下牛角鬼的头，洗刀的泉水最终流入河川。代田认为童谣的伴唱词可能来自隐匿基督徒的拉丁语祷词，又猜羅堂家的红发与外国血统有关。他还说，倉内在声称偶然发现泉之前，曾向他打听当地传说，看过这首提及洞中泉水的歌。
警察来向石動问话。真一的夹克上留有一枚指纹，不属于已采样的羅堂宅邸人员。哲史死亡那夜，善次的妻子证明他在名古屋家中，职员证明他次日上午已在公司。美雄独居，无人能证明他当夜在哪里。电话记录只证实，次日羅堂宅邸与美雄的名古屋诊所有过通话，不能证明接听者就是美雄。石動还提醒警方，无头尸与哲史房间的指纹相合，也不能排除有人调换身份，不过他仍认为死者多半是哲史。
当晚新闻报道，倉内与医生北沢因保险诈骗被捕。北沢涉嫌故意把她诊断为晚期癌症，借用其他患者的影像，帮她骗取保险金。所谓癌症奇迹般痊愈，不能作为泉水有疗效的证据。石動推测，倉内听过代田讲述的泉，便借此编造治病经历，或许根本没有进洞。以奇迹之泉招揽游客的度假开发计划顿失卖点。
出羽与藍下夜巡时，看见有人从亀恩洞逃走。洞口一根木桩被砍倒，蓝布和铁丝也被扯开，附近留下斧头和撬棍。次日，警方查明真一衣服上的陌生指纹属于鋤屋和人，此人曾因抢劫入狱。陣一郎说，和人是他从未认领的长子。年轻时，他哄骗鋤屋美佐偷出家中的土地权利证，夺得土地后便抛下怀孕的她。和人的照片上也有羅堂家特有的红发，他可能因此怨恨这一家人。姫木想不通，若和人是来报复的，为何先杀哲史和真一，却放过直接伤害自己的陣一郎？他于是派警察保护老人。
警方让村民亲手填写调查表，借机收集指纹。灰田拒绝填表，从腰包里拔枪射向都築，又在二の橋向姫木等人开枪，之后逃入北山。搜捕中，栄推陣一郎下山避险。渡辺与都築上山时，发现洞口的另一根木桩也倒了。他们沿绳入洞，在看似已到尽头的岩室里找到濒死的火浦。火浦浑身湿透，说见过泉。他拿来当枕头的背包，是在洞里捡到的，里面塞满成捆钞票。与此同时，藍下扑向持枪的灰田，将他制服。姫木推断，灰田为取回藏在洞中的赃款，被哲史撞见，于是开枪杀人，再砍下头颅，藏匿子弹，杀真一是为了掩饰第一起命案。他认定灰田就是鋤屋和人。男子却自称瀬尾修一，承认抢劫运钞车，把钱藏进洞里，也承认使用假名，却否认杀人，要求警方比对指纹。
渡辺把火浦送到医院。医生发现，他的末期胃癌细胞正在不断恢复正常，照这个速度，数日内便可痊愈。搜山的混乱中，善次独自驾车返回名古屋。美雄因是医生，被请去诊治火浦，稍后才离村。深夜，姫木在暮枝橋附近的树林里发现善次的空车，车钥匙还插着，善次死在桥下的河滩。检验表明，他坠桥时后脑撞上石头，桥上护栏旁找到他的西装纽扣。姫木判断，善次曾在桥上与人争执，被推了下去。随后驾车经过的渡辺只顾着送火浦，没留意桥边情形，也记不起当时是否看见善次的车。
警方将已采集的村民指纹与鋤屋和人的指纹比对，没找到吻合者。天瀬准备离村，拒绝为周刊写一篇把命案当猎奇传说的特稿，去向窓音道别。美雄追上他，说陣一郎提过亀恩洞还有一处入口，自己儿时也似乎见过，邀天瀬一起去确认。两人来到林中巨岩下的深裂缝旁，美雄突然从背后推了天瀬一把。天瀬抓住裂缝边缘，悬在洞口。美雄点燃一支骆驼香烟，刚吸一口便掐住喉咙，吐血倒向他，两人一同坠入洞中。
天瀬醒来时，身下是美雄的尸体。他拖着受伤的腿摸索出路，走进一间巨大的洞室，石阶上摆满朽烂的木桶棺，祠中供着玛利亚观音。他发起烧来，听见自称“美濃牛”的声音索求鲜血，却无法确定是不是幻听。他逃离洞室，在另一间洞室找到真正的泉，光从顶上的裂缝照进来，泉水溢出，汇成溪流。他喝了泉水，又浸在水里熬过一夜。次日，窓音与石動循洞找到他，扶他沿溪流走到暮枝川河滩的隐蔽出口。石動认出那些棺桶所在之处是隐匿基督徒的地下墓地，却没有听见天瀬所说的声音。退烧后，天瀬听石動解释《鬼隐洞歌》。
以山村封闭聚落、名家旧宅、连续童谣模仿杀人构成横沟正史式的本格推理框架，奇迹之泉、洞窟、牛的传说与诡异集体共同营造出持续的不安感。作品篇幅虽长，却文体流畅，人物众多而各有个性。案件真相和动机有意外性，伏笔回收完整，结尾在看似圆满中留下阴影，余味上佳。作品中大量关于音乐、文学、牛、俳句等方面的引文和杂学，体现了作者的博学。核心诡计稍弱，不足以支撑如此庞大的体量。