故事以一个名为“我”的少女回忆拉开序幕。12 年前，14 岁的她从家中被一个男人带走，临行前收到了千代倉和赠送的一枚蝶蛹。然而，从蛹中孵化出的并非蝴蝶，而是一只寄生蜂。她痛恨着利用和的善良的遊川夕妃，暗示了自己将成为一个“怪物”的命运。
主人公千代倉和是侦探遊川夕妃的助手，两人与见习生瀬海今日子一起经营着濒临破产的事务所。在生意失败、穷困潦倒之际，夕妃成立了“遊川电影公司”，强迫千代倉与今日子共同主演一部名为《今日子》的丧尸题材恐怖短片。电影拍摄过程一塌糊涂，上映后反响平平，夕妃的导演梦再次破灭。圣诞夜，三名戴着怪异面具的访客——自称“有钱人”的黒革裁可（黑色乳胶面具）、她的管家厭世銀介（羊面具）和她的“猫”猫菓子（猫面具）——突然到访。黒革裁可豪掷一百万日元买下他们吃剩的蛋糕，开出五千万日元的天价，委托夕妃导演一部电影，主题是“在强制要求佩戴假面的酒店里，客人们互相厮杀”。千代倉坚持陪同，今日子则因要照顾刚出院的母亲而留下。
2 月 1 日，千代倉与夕妃按约定前往东京。他们跟着黒革派来的人上了一辆面包车，随即在车内被气体迷昏，醒来发现身处一间豪华酒店的客房，脸上戴了面具。通往外界的唯一出口是一扇黑色的门，门上刻着规则：在酒店内必须佩戴假面，使用化名，违者性命不保。主办者署名为“‘狼与羊’酒店支配人黒革裁可”。千代倉用门上附带的房卡打开门，在走廊里遇到了猫菓子，两人发现电梯可以运行，但无法抵达一楼或顶层十楼之外的任何楼层，确认被困。酒店十楼大厅，所有十名参与者齐聚一堂，按房间号排列为：
- 鬼村優（千代倉和）：鬼面
- 蜂巣バニー：兔子
- 厭世銀介：羊
- 歌劇冷：歌剧魅影
- 猫菓子：猫
- 泥水すする：瘟疫医生
- 毒島うつる：防毒面具
- 狐書堂焰：狐狸
- 警備マッスル：摔跤手
- 女王監督（遊川夕妃）：多米诺眼罩
众人起初以为这只是一场电影宣传活动，但泥水すする公然违反规则，当众摘下面具自报真名“藪原康正”，随即被狐書堂焰用刀刺死，声称他是烧毁她家神社的仇人。第一起杀人事件激活了通往九楼的电梯，众人乘电梯成功下到九楼，均意识到游戏的残酷性。夕妃提议大家待在房间，避免不必要的接触。黒革裁可从电梯现身，确认游戏就是电影拍摄本身，奖金加码到一亿日元，警告众人在每层楼的杀人事件发生后，必须在一小时内前往下一楼层，否则将被“清扫”。千代倉好心将一杯狐狸乌冬面放在狐書堂的门口，在公共厨房遇到了正在做饭的毒島うつる，二人背对背一起用餐。毒島透露了自己因父亲的丑闻而退学。
【今日子】与此同时，今日子独自留在事务所，高利贷公司“蛇莓金融”的讨债人鼠崎鷹秋闯入，要求夕妃偿还一笔十万日元的旧债。由于夕妃留下的家庭住址是假的，鼠崎决定前往借据上连带保证人的地址向其家人追债。今日子担心千代倉的家人受牵连，决定与鼠崎一同前往。在千叶县的八石児村，今日子和鼠崎遇到了当地中学生千望絵茉希。村子四处矗立着戴鬼面的稻草人，气氛诡异。絵茉希是今日子主演电影的粉丝，她告诉今日子，千代倉是 12 年前村里一桩“密室斩首事件”的嫌疑人，受害者是住在神社小屋的神秘流浪汉“バンゴロ”，案发当晚千代倉的全家便连夜逃离了村庄。
死亡提示音再次响起。狐書堂死在自己上锁的房间内，右眼被一根金属棒贯穿。遊川夕妃给出一种密室解答。
蜂巣バニー指责千代倉出于善意在狐書堂门前放置乌冬面的行为，无意间为凶手指明了被害者的位置。她进一步指出众人准备破门而入时，是毒島提议“先用电钻在门上开孔观察”，其目的是为了破坏作案痕迹。毒島崩溃，承认狐書堂与她父亲有染，导致她家庭破裂，间接承认了杀人动机。夕妃调查九楼仓库时，发现里面存放着包括兔女郎在内的各种角色扮演服装，她由此推断蜂巣バニー穿的兔子服是伪装。众人下到八楼大厅，夕妃突然将蜂巣バニー推倒，致使其兔子头套脱落，露出里面的“蜂面”。原来蜂巣真实的化名是“蜂巣つつく”，是个麻烦制造者，夕妃要求众人无视她。在混乱中，被指认为凶手的毒島悄然消失。千代倉在走廊上遇到了被警備マッスル纠缠的猫菓子，帮她解了围，与她一同前往 3 号房探望厭世。厭世对亡妻极度思念，这次又被无端卷入黒革裁可的杀人游戏，产生了自杀的念头。他表示知道一个关于这个酒店的“恐怖秘密”，但害怕夕妃知道后会采取无法预测的行动，所以不敢透露。
【今日子】今日子在絵茉希的带领下前往 12 年前的案发现场——废弃的神社，通过实验破解了当时的密室诡计。今日子在神社本殿发现了千代倉的童年玩伴遠音凜々子收集的的调查资料，揭示“バンゴロ”并非某个特定的人，而是村里的男人们轮流性侵少女臥待彩夏时使用的伪装。
警備マッスル在走廊上昏迷不醒，脖子上缠着一根钢丝。千代倉与夕妃上前查看，发现其尚有呼吸，这时钢丝突然被一股电梯下降的巨大力量拉动，将警備当场拖拽斩首。代表两名死者的提示音响起，电梯门打开后，轿厢内发现了毒島うつる的无头尸体，其双手被红色的鞋带绑在电梯两侧的扶手上，姿势如同钉在十字架上的蝴蝶。毒島的防毒面具掉在尸体旁，一具折叠起来的长方形桌子靠在尸体上，形成一个面向电梯门的血腥斜坡，旁边掉落一根约五十厘米长的挂衣杆。现场布满血迹，头颅却不知所踪。这似乎是一个毒島利用电梯的升降和钢丝设置的自杀机关。
千代倉在走廊上被蜂巣つつく拦下。蜂巣摘下面具露出真容，她正是千代倉的童年玩伴遠音凜々子。戴着毒島防毒面具的黑幕手持钢丝出现，打断了他们的对峙。千代倉将他和凜々子的过往全部告诉了夕妃。
众人乘电梯下到六楼。凜々子揭示了她发现的逃脱方法：有人死时电梯门会自动打开，只要有一名“活祭品”留在楼上自杀，其他乘电梯到一楼的人就能在电梯门打开时逃脱。凜々子表示生无可恋，愿意成为活祭品，就在她准备拔刀自刎时，夕妃强行关闭了电梯门，将她独自留在六楼。电梯降至一楼，死亡提示音再次响起，夕妃突然用电击枪击倒了电梯中一人，宣布找到了真正的黑幕。
【今日子】在鼠崎的帮助下，今日子打开了絵茉希父亲书房里的金库，发现了大量记录着村中男人们罪行的照片和借据，了解到了当年的真相。今日子向鼠崎提议将这起事件拍成电影，公之于众，以此作为对加害者的惩罚和对受害者的告慰，鼠崎被她的想法打动。今日子将自己的调查结果整理成手记，发给了夕妃。
故事采用双线叙事，一边在酒店里上演杀人游戏，另一边在酒店外调查一桩 12 年前的密室杀人旧案。双线在结尾处汇合，揭示出横跨十二年的悲剧真相。游戏中也发生一起密室杀人，解答为老梗。凶手的核心连续杀人诡计颇有新意，而遊川夕妃揭露凶手身份的推理做局亦构思巧妙。