9 月 18 日晚 9:45，东海道新干线的上下行列车在新横滨站附近交错而过，车上的行李寄存处均传来警报声。下行“希望 431 号”的列车员发现一个茶色白点的可疑行李箱，打开后发现一具被切断头颅的裸体女尸。与此同时，上行“光 534 号”也发现一个红色黑点的行李箱，里面也发现一具斩首裸体女尸。两箱的拉杆上都系着红色围巾，尸体旁各留有一张用血写着“鬼は横道などせぬものを”（鬼怪才不屑于搞骗术）的和纸，为“酒吞童子”传说中的台词。神奈川县警的白石警部负责指挥调查，确认两具尸体的头部被交换。
推理作家朝倉聡太（笔名国見綺十郎）在京都与出版社编辑長谷川百合会面。百合曾是舞妓，对祇园（京都的著名艺伎区）非常熟悉。朝倉对报纸上报道的新干线斩首案产生浓厚兴趣，尤其是那句来自“酒吞童子”传说的留言。他们通过百合的同事波内信男获得了警方内部信息，得知两名受害者的死亡时间为下午 2-3 点，监控拍下两个长相相似的男子，分别在 9:20 东京站和 8:46 丰桥站将装有尸体的行李箱带上车。朝倉和百合亲自前往丰桥，乘坐与案发时相同的“光 534 号”列车前往东京，验证了上下行列车的交错时间只有几秒钟，而且车窗密闭无法打开，不可能在行驶过程中交换头颅。
警方在东京台东区和爱知县丰桥市的短租公寓里发现了大量血迹，确认为两个命案现场，但公寓是匿名租用。朝倉在东京与自己的编辑西条一乃会合，一乃通过记者朋友津村获得了更多案件细节。朝倉与百合前往“酒吞童子”的故乡新泻县，巡访了与“酒吞童子”、“茨木童子”传说相关的弥彦神社和国上寺。电视台公布了被害人的模拟画像，百合认出两人像是她当舞妓时的同行。
朝倉与百合返回京都，通过百合过去所在的置屋女将，确认了两名被害人的身份是前艺妓梅はる（藤原真琴）和前舞妓梅ちよ（桐石四葉）。她们的前同事広瀬夕子透露，五年前两人离开祇园，似乎与“京纤堂”的社长大八木茂有关。朝倉与百合拜访大八木，大八木对酒吞童子的留言反应强烈，暗示此事与五年前的某起事件有关，但拒绝透露更多。朝倉将这些情报通过一乃和津村提供给警方，警方迅速锁定监控录像中的两名男子为前科累累的今枝光一、陽次兄弟，他们五年前确实跟踪骚扰了两名被害人，指纹也与东京、丰桥短租公寓里查到的指纹相符。然而，两名受害者的死亡时间在 9 月 28 日下午 2-3 点，而光一 3:00-6:30 一直在丰桥市的麻将馆打麻将，陽次下午 3:07-6:05 一直在东京都涩谷区的 KTV 唱歌，他们没有足够的时间先杀人，再交换头颅。某年轻警察提出一种交换头颅的诡计。
交换头颅诡计（一）
兄弟二人没有乘坐最快的列车，而是选择了各站均停的慢车“こだま号”，以便中途交汇：
- 光一傍晚 6:30 离开麻将馆，不乘坐原计划的列车，而是搭乘 7:02 从丰桥站出发的“こだま 676 号”，于晚 7:46 到达静冈站。他在此下车，前往对面开往丰桥方向的站台，等待弟弟到达。
- 陽次傍晚 6:05 离开 KTV，乘坐 6:26 从东京站出发的“こだま679号”，于晚 7:51 到达静冈站。
- 两人在静冈站的站台上会面，迅速交换装有头颅的行李，整个过程在 7:46-7:51 之间完成。
- 光一登上陽次乘坐来的“こだま 679 号”返回，于晚 8:40 抵达丰桥，正好赶得上登上原计划中晚 8:46 出发的“光 534 号”列车。
- 陽次则登上光一乘坐来的“こだま 676 号”，此车于晚 7:52 从静冈出发，晚 9:16 抵达东京，让他有 4 分钟的紧张时间换乘 9:20 出发的“希望 431 号”。
这个推理不对。弟弟陽次在晚 7:51 到达静冈，却必须在 7:52 登上对面的列车，换乘时间只有 1 分钟，物理上无法提着沉重的行李通过楼梯和通道更换站台。
夕子看到命案新闻，主动联系朝倉和百合，透露梅はる、梅ちよ曾与两个男人对峙，谈话内容涉及一起酒后驾车肇事逃逸案。百合提到朝倉思考的样子和她去世的哥哥相似。朝倉给出一种新的交换头颅诡计。
交换头颅诡计（二）
今枝兄弟无需碰面，而是利用了新干线本身作为“无人快递”来交换头颅。具体操作如下：
- 哥哥光一在傍晚 6:30 后，将要送出的头颅带上从丰桥出发开往东京的上行列车“光 530 号”，然后下车。弟弟陽次在东京站等候，待“光 530 号” 8:10 进站，上车取走哥哥留下的包裹，完成接收。
- 反之亦然：弟弟陽次在傍晚 6:00 后，将要送出的头颅带上从东京出发开往丰桥的下行列车“こだま 679 号”，然后下车。哥哥光一在丰桥站等候，待“こだま 679 号” 8:40 进站，上车取件。
西条一乃调查发现，五年前“京纤堂”社员風間正人酒后驾车撞人，导致一名叫波内博的男子死亡，而風間本人则在逃逸途中坠入溪谷身亡。编辑波内信男证实波内博是自己父亲。事故发生后半年，一名凶恶男人联系波内信男，说知道事故真相，问他要不要花钱购买。波内没有理会，如今想来该男子应为今枝兄弟中一人。朝倉推测，五年前酒驾的真实肇事者是社长大八木茂，当时艺妓梅はる和舞妓梅ちよ也在车上，她们包庇大八木作了伪证。大八木为了掩盖罪行，杀害了風間正人，伪装成事故。今枝兄弟目击了最初的肇事逃逸现场，以此敲诈大八木和梅はる等人。
京都的“首塚大明神”神社后面有一个传说埋葬了“酒吞童子”头颅的土堆。警方接到报案，在土堆上发现了一具拼接的尸体，头颅属于大八木茂，身体却属于另一名男性。朝倉、百合、波内三人前往大八木的别墅，在室内发现了大八木的无头尸体。今枝陽次现身，将百合劫为人质。别墅外的波内急中生智，投掷石头打破窗户，成功分散了陽次的注意力。朝仓趁机与陽次展开搏斗，陽次最终挣脱逃走，波内在后面追赶。百合发现一个可疑黑包，打开发现一具头颅。朝倉让百合去报警，确认头颅是今枝光一。波内没有追到陽次。次日，警方在舞鹤的海岸发现了今枝陽次的尸体，认为是兄弟内讧，陽次杀害了哥哥和社长（神社土堆上的身体是光一），而后畏罪自杀。
朝倉认为陽次的性格和智力不足以策划如此复杂的阴谋，一乃无意间的一句“会不会是真凶嫁祸给今枝兄弟”点醒了朝倉。他亲自在京都站和新横滨站之间进行实验，证实了新的可行性。
交换头颅诡计（三）
真凶一个人完成了以下操作：
- 在京都站，她将装有“梅ちよ尸身 + 梅はる头颅”的行李箱 A（茶色白点）带上开往东京的上行列车“光 534 号”，放入车厢末尾的行李区，然后立刻下车，留在京都站。
- 她携带装有“梅はる尸身 + 梅ちよ头颅”的行李箱 B（红色黑点），乘坐更快的上行列车“希望号”，超过“光 534 号”，抢先抵达新横滨站。
- 在新横滨站，她等待从东京开往新大阪的下行列车“希望 431 号”进站。列车一到站她便迅速上车，将手中的行李箱 B 放入车厢行李区，然后立刻下车。
与此同时，今枝兄弟按照按照真凶的指示行动：
- 哥哥光一在丰桥站登上了已经载有行李箱 A 的“光 534 号”列车，携带自己的“伪装行李箱”。
- 弟弟陽次在东京站登上了“希望 431 号”列车，同样携带自己的“伪装行李箱”。这趟列车将在新横滨站载上百合放置的行李箱 B。
警方的监控录像完美地拍到了今枝兄弟各自拿着“嫌疑行李箱”登上了案发列车，使他们成为第一嫌疑人。真凶特意在四个行李箱（两真两假）的拉杆上都系上相同的红色围巾，确保关联。
凶手身份推理
凶手在 9 月 18 日采集了两名受害者的血迹，于 9 月 19 日将血迹布置在东京、丰桥的两个伪造现场。朝倉起初怀疑波内信男是凶手，动机是为父报仇，但其部下藤岡证实，9 月 19 日波内出差飞往越南河内，无法在东京、丰桥伪造现场，所以他不是凶手。
在大八木的别墅里，朝倉和百合两人进入客厅，发现了装有头颅的包。百合去报警，朝倉检查了包里的头，确认是光一。不知情的波内从外面进来，在讨论中提到死者为光一，说明他提前知晓了死者身份。既然波内不是凶手，那么他只能是在门外从百合口中得知死者是光一。在那个时间点只有真凶和朝倉看过包里的头颅，所以百合是凶手。她先后杀害了今枝光一和大八木，将两人头颅交换。她算准了朝倉会追查到大八木的别墅，故意将今枝陽次引至别墅，让他与大八木的无头尸和光一的头颅共处一室，完成嫁祸。她最后将陽次引至舞鹤港杀害，伪装成自杀，完成所有复仇。
長谷川百合的真实身份是風間正人的亲妹妹風間百合（伏线：百合的哥哥去世），她当舞妓时的艺名是“小芳”。百合为了给哥哥复仇，策划了这起连环杀人案，目标是与哥哥之死相关的五人：大八木、梅はる、梅ちよ、今枝光一、今枝陽次。她加入出版社并接近波内，是希望从他那里获取情报。
两列上下行列车在新横滨交错而过，几乎同时发现了两具藏在行李箱中的斩首女尸，而且两具尸体的头颅交换！监控拍到两名嫌疑人兄弟拎着行李箱上车的画面，但后续调查表明二人没有足够的时间先杀人，再交换头颅，案件由此陷入迷宫。全书一共给出三种不同的时刻表诡计，结尾对于凶手身份的推理也有亮点，但最称道的还是“谜面原创性”超过了“解答原创性”。