油杵島慎二失恋辞职，被神秘女子火垂柚葉招募为侦探助手，来到陌生的护国市。一日，火垂接到情报，称茨木丘的公寓有人悬挂，赶到现场后，发现一名男子悬挂在十楼空置房间的窗外，双手扒着窗框。火垂、油杵島、今本巡警进入十楼房间，发现男子还活着，但对火垂的问话毫无反应，眼神空洞。火垂和油杵島试图靠近窗户救援时，男子突然身体绷紧，随即坠落，撞击到楼下自行车棚后摔在地上，当场丧命。县警五百井、火垂的妹妹女警菊井先后赶到，质问火垂为何在此。女证人塩崎怜奈试图向油杵島提供情报，但最终未开口，只留下了火垂侦探事务所的名片。

火垂、油杵島与神秘的幕后委托人甲羅魏警部会面。甲羅魏警部透露，坠楼者是前缉毒官员綿井英敏，曾是失踪刑警蝦夷宮的情报员，蝦夷宮在追查新型合成毒品时失踪。火垂认为两起事件相关，甲羅魏警部同意火垂调查綿井的死因，并承诺协调其他刑警。油杵島接到塩崎怜奈的电话，说在坠楼事件中看到奇怪的事情，但因有人来访而挂断电话。吉佐的仓库中发现了蝦夷宮刑警的尸体，尸体无明显外伤或捆绑痕迹，但极度憔悴，身旁有未开封的食物和饮料，尸体仓库门从内部锁上。火垂推测其死于脱水，可能在监禁期间被人禁止饮食。管理公司职员在发现尸体前一晚看到仓库有灯光，当时蝦夷宮已死了数小时。

塩崎怜奈在家中遇害，胸口中刀，其丈夫塩崎忠則为第一发现人，但有不在场证明。现场无明显搏斗痕迹，尸体旁的的地板上插着一把厨房菜刀，而凶器是另一把生存刀。火垂向油杵島解释了事务所与甲羅魏警部的关系：甲羅魏警部在三年前抓捕恐怖分子后遭到报复，车被炸毁，全身烧伤，此后只能在特制车辆内通过通讯指挥，成立了特殊搜查部，火垂等人是其编外成员，负责调查警察内部的“内鬼”以及与警察相关的棘手案件。菊井是火垂的亲妹妹，因父母离婚而姓氏不同，两人关系恶劣。油杵島独自外出时，被菊井的部下鑓田警告，暗示火垂可能涉及犯罪。

火垂认为綿井坠楼、蝦夷宮脱水、怜奈刺杀这三起案件手法看似不同，但有共通的“奇妙感”，且綿井和怜奈都曾露出惊讶的表情。油杵島按火垂指示，与线人頼近在酒吧“ノクターナス”会面。頼近提供了毒品交易头目舟島与堂引的情报，称他们当晚将在俱乐部“アースレス”进行交易。油杵島与火垂一同前往“アースレス”。在俱乐部迷幻的表演中，火垂趁机击晕了跟踪油杵島的菊井刑警，用手机拍下了堂引在桌下与一红发女子进行毒品交易的画面。火垂发现油杵島的车上被人安装了 GPS，推测是菊井所为。翌日，火垂独自拜访了包括“治疗恐惧症”专家在内的多位医生。火垂提出三起案件的共同点是现场地板上都有玻璃碎片、钉子、菜刀等刺入物，指控今本巡警为凶手，并解释了他的杀人手法。

今本闻言突然精神崩溃，口吐白沫，在送医途中袭击了五百井刑警和救护员，最终在与碓井刑警的枪战中被击毙。今本体内检出毒品成分。数日后，碓井刑警持枪胁迫油杵島来到一所豪宅，见到县警高层世海、国府津。两人称甲羅魏警部涉嫌利用毒品交易敛财，并杀害了妨碍自己的刑警及情报员，火垂是其帮凶，要求油杵島充当内线收集证据。油杵島内心挣扎后答应。碓井在送油杵島离开时，交给他一个纸袋，内有一把手枪和一个装着钥匙的信封，称若自己出事，钥匙可交给火垂，手枪则由油杵島自行处理。油杵島将手枪交给頼近保管。不久，蝦夷宮陈尸仓库附近的停车场车内发现了碓井刑警的尸体，体内查出睡眠药成分，死因是一氧化碳中毒，由一根软管将排气管的废气引入车窗内，粘着胶带上检测出碓井的指纹。油杵島交出了碓井给的钥匙，警方根据钥匙找到了碓井的秘密公寓，却在那里发现了北倉巡警和杉川刑警的尸体，两人在搜查该房间时遭遇凶手，惨遭灭口，房间内一片狼藉。火垂在搜查会议上推翻了菊井提出的碓井自杀论，指出碓井是他杀。

连续三起杀人案，包括一起高楼坠亡、一起脱水、一起刺杀，共同点是现场地上都有刺入物，忍者流伪解答扯到让人笑出腹肌，相比之下真解答反倒显得索然无味。凶手疑似吸入汽车尾气畏罪自杀，结尾揭露真凶，完成逆转。