新闻报道，大阪府的河堤上发现了失踪女大学生对马继美的尸体，尸体被床单包裹，颈部有勒痕，死亡已有一个月。警方怀疑此案是连环杀手“乔治”的又一次作案，就此展开调查。
阿基里斯俱乐部的成员们，包括叙述者“我”（谏早郁夫）、俱乐部会长平户久志、大村宰、岛原骏策、长崎直弥、松浦千鹤，一同乘车前往位于京都府深山的流萤馆，准备进行暑期合宿。叙述者谏早郁夫在途中回忆起他已故的女友，也就是序章中提到的受害者对马继美，她去年也参加了同样的活动。流萤馆是著名小提琴家加贺萤司十三年前建造的别墅，十年前，加贺在此地杀害了他的圣瓦伦丁八重奏乐团中的六名成员，不久便离奇死亡。三年前，俱乐部的往届毕业生佐世保左内买下并修复了这座凶宅。俱乐部成员讨论了此次活动的目的，即在真实的凶宅中锻炼胆量。
众人抵达流萤馆，见到了现任馆主佐世保左内。佐世保向首次前来的成员介绍了十年前的惨案细节：加贺萤司利用二楼各个房间的良好隔音效果，在 7 月 15 日当晚，用八把银制装饰品短剑中的七把逐一杀害了乐团成员。其中大提琴手小松响子的尸体及第七把短剑至今未被找到，但由于在另一名受害者身上发现了她的血迹，警方推断她也已遇害。加贺被发现时精神失常，反复说着“萤永远不会停息”，次日便死于心力衰竭。佐世保随后带领众人参观了加贺的书房和作为案发现场的客房，展示了现场遗留的血迹以及和凶器同款的银制短剑，解释说馆内许多物品都是他花费巨大心血寻回或复原的，以求最大程度重现当年的情景。
晚饭后，佐世保为众人播放了一张加贺萤司生前录制的《夜奏曲》黑胶唱片，音乐风格阴郁而重复，令人不安。他随后组织了一场练胆游戏：在关闭二楼所有灯光的情况下，成员们需两两对决，以最快速度在各个凶案房间内找到自己需要的目标扑克牌，输家将进入下一轮，直至决出最终的输家，该输家将在次日接受惩罚。经过几轮比赛，大村宰成为了最终的输家，他在比赛过程中发出了一声凄厉的尖叫。事后，惊魂未定的大村向叙述者谏早透露，他在小松响子的房间里听到了女人的声音。
叙述者谏早郁夫回忆，“乔治”犯下的数起案件的受害者均为留有黑色长发的年轻女性，而继美正是其中之一。7 月 16 日上午，因整夜暴雨，众人得知附近地区发生山体滑坡，道路阻断。岛原骏策发现大厅里的电话机不见了，上楼去通知佐世保左内，却发现佐世保已经被人杀害。佐世保的尸体坐在书房的安乐椅上，胸口插着那把最后的银制短剑。书房里的电话机也消失了，而所有人的手机都没有信号，他们与外界彻底失联。在车库，平户久志注意到佐世保的黑色面包车是湿的，地上还有新的车轮痕迹，推断凶手曾在夜间试图驾车逃离，但未能成功。平户和岛原骏策尝试开车下山报警，但通往外界的唯一通道“萤桥”已被洪水淹没，无法通行。
松浦千鹤在酒廊的椅子后捡到了平户的手机。平户久志当天清晨 6 点左右曾在同一位置寻找过手机但没有找到，对其失而复现感到奇怪。午饭后，平户、岛原、谏早决定展开调查。在书房，岛原观察到短剑从心脏左侧刺入，由此推断凶手是右撇子，从而排除了左撇子谏早的嫌疑。死者衬衫下摆有口红印，插在胸口的短剑剑柄上有一枚清晰的血指纹。岛原指出椅子下方没有血迹，说明佐世保是在别处被杀后搬运至此。在场六人逐一按了指纹进行比对，结果均与凶器上的指纹不符。平户和岛原提取了死者佐世保的指纹，也与凶器上的不符，这似乎证明凶手是他们之外的第八个人。佐世保卧室床下发现一条刻有“MC”缩写的萤火虫形状项链，房间里能闻到香水味，还有一扇锁着的门不知道通往何处。岛原推测门后可能存在通往一楼的秘密通道，平户用铁丝撬开门锁，三人进入了一个全白色的房间“萤之间”，里面陈列着世界各地的萤火虫标本。在房间深处的一个小仓库里，他们发现了五尊与真人等大、表情痛苦的蜡像，每尊蜡像胸口都插着一把短剑，显然是在重现十年前的凶案现场。其中一尊蜡像的面容正是至今下落不明的小松响子。他们推测佐世保可能掌握了关于旧案的新线索，计划将这些蜡像公之于众，但这可能也为他招来了杀身之祸。
晚餐后，大村宰惊慌失措地跑到酒廊，声称他在二楼走廊里亲眼看到了一个从未见过的陌生女人的背影。平户和谏早立刻上楼搜查，但一无所获。平户认为这是藏在馆内的“第八人”在警告他们不要继续调查，而岛原骏策则质疑凶手无法预知大村何时会出门。
千鹤将谏早秘密叫到自己房间，坦言自己与对马继美自小相识，加入阿基里斯俱乐部就是为了找出杀害继美的连环杀手“乔治”。她推断“乔治”是俱乐部成员，因为以继美的谨慎，绝不会轻易跟陌生人走。她认为佐世保就是“乔治”，因为包括继美在内的几名“乔治”的受害者，其外貌特征（长发、脸型、眼角的痣）都与佐世保已故姐姐的照片惊人地相似，而如今出现在馆里的神秘女子是“乔治”的下一个目标，她为了自卫才杀死了佐世保。千鹤还怀疑长崎是佐世保的同伙，因为继美生前曾怀疑长崎在自己房间里安装了窃听器。
7 月 17 日上午，大村去浴室时发现，浴缸的水面上漂浮着大量黑色长发，玻璃墙上用红色口红写着“决不饶恕你”的字样，空气中弥漫着与佐世保卧室里相同的香水味。这似乎进一步证实了馆内潜藏着一名女性凶手。平户、岛原、谏早再次检查“萤之间”，发现小松响子的蜡像头部不翼而飞，他们推断浴缸里的头发正是从这尊蜡像的假发上剪下来的。
众人在岛原的房间（即小松响子以前的房间）里找到一个化妆盒，但里面的口红颜色与浴室字迹的颜色不符。岛原提出新理论：凶器上的指纹并非真人所留，而是凶手使用了佐世保为给蜡像添加细节而制作的“加贺萤司指纹印章”。平户播放了一张他在佐世保书房找到的、标有数字“2”的 CD，里面的音乐是加贺失传的第二首八重奏《赞歌》，旋律混乱而怪异。平户又播放了第一首《夜奏曲》的唱片，因唱片损坏，其第四乐章会陷入无限循环。他推断，加贺萤司口中“永不停止的萤”，指的并非萤火虫，而是这段不断重复的音乐。众人听到楼下传来玄关大门关闭的声音和上楼的脚步声，发现平户的鞋被人穿过，上面沾满泥水，而车库的卷帘门大开，佐世保的面包车不知所踪。三人冒雨赶到萤桥，发现面包车撞在桥头，一半车身悬在河上，驾驶座有血迹，且车旁遗落了一只女式高跟鞋。岛原判断这是凶手故意布下的迷阵，说服平户和谏早对其他人隐瞒在桥边看到的一切。
千鹤发现“萤之间”储藏室里的座钟慢了一小时，调整时间后墙壁会打开，露出一道通往地下的楼梯，楼梯尽头还有一扇锁着的门。千鹤将此机关告诉了谏早。平户给谏早看了一本旧杂志，上面揭露了加贺萤司的秘闻：与他私奔的并非表妹，而是他同父异母的妹妹，名字就叫“萤”，这位妹妹在与他分开后不久便去世了，这解释了加贺对“萤”这一意象的执念。杂志上的加贺萤的照片，与岛原的相貌惊人地相似。
当晚，大村宰在前往一楼厕所时遭到袭击。走廊的灯突然熄灭，黑暗中他与一名袭击者扭打，从对方身上扯下了一个刻有“文枝”名字的女性款吊坠。众人调查发现，停电是由一个预先设置在浴室的短路装置引起的，现场还发现了一把来自蜡像的复制品短剑和一个女装品牌的纽扣。平户久志和岛原骏策借口外出调查，返回后向其他人谎称，他们在河边发现了坠河的面包车和高跟鞋，断定袭击者“文枝”在企图逃跑时已溺水身亡，以此来麻痹真正的犯人。
谏早向大家公开了千鹤发现的秘密通道。众人通过通道进入了地下的“土萤之间”，这里陈列着萤火虫幼虫的标本，更深处的地下书房里挂满了加贺萤的照片，而旁边则并列着所有“乔治”案受害者的照片，包括对马继美和身份不明的护士“文枝”，这彻底证实了佐世保左内就是连环杀手“乔治”。平户透露，佐世保在继美遇害当天有确凿的不在场证明，说明“乔治”必有一名同伙。他们进入了与书房相连的钟乳洞，这里正是“乔治”囚禁和虐待受害者的恐怖刑房，里面发现了大量的新鲜血迹。在钟乳洞更深处的一个小洞穴里，众人发现了一具保存完好、已形成尸蜡的女性尸体，其胸口插着一把银制短剑。岛原骏策情绪崩溃，揭示了自己的真实身份，原来他正是十年前失踪的小松响子的儿子，而眼前的尸体就是他的母亲。他加入俱乐部就是为了寻找母亲的下落，之前偷走母亲的蜡像头颅，也是为了阻止母亲的形象被随意展示。他推断，当年加贺萤司杀害了他的母亲，将尸体藏于此地，多年后被佐世保发现。这具与佐世保姐姐容貌相似的尸蜡，最终刺激佐世保转变成了模仿犯“乔治”。回到地面后，大家发现秘密通道的台阶通往一楼浴室的更衣间。一楼和二楼的座钟连动，都是秘密通道的开关。凶手故意在浴缸里留下头发，写下红字威胁，是为了把别人从浴室赶走。岛原阐述了他的完整推理。
平户提议举行酒会，上厕所时传出惊叫。千鹤被人用氯仿袭击，不省人事地倒在厕所地上。旁边的浴室浴缸里发现了谏早郁夫的尸体，手腕被割开，现场留有氯仿和一把短剑，呈现出自杀的假象。平户据此当场宣布，案件已经结束。
连续杀人案本身的推理较为简单，但主打的逆叙述性诡计极具新意，为此类诡计的教科书典范。结尾揭示“流萤馆”的秘密，一如既往地狂气。