三年前，并木佐织是小镇上最受欢迎的女孩，人长得漂亮，歌唱得也好听。人们看着他一天天长大，视她若珍宝，可即将出道成为歌手时，她突然失踪了。
两周前警方在一栋被大火烧掉的囤满垃圾的民宅中，发现了她的遗骸，并引出了二十三年前一个十二岁名叫本桥优奈的小女孩死亡案件的凶手莲沼宽一，优奈的母亲因为伤心过度自杀了。在本桥优奈一案中，莲沼宽一拒绝任何回答，且由于警方只有间接证据，莲沼最后被判无罪释放，并且获赔1万日元。
随后警方走访了佐织的前男友高垣智也和教她唱歌的新仓夫妇。并在莲沼的住处找到了粘有血迹的衣服，把他逮捕了，但由于和之前一样没能使莲沼招供，且只有间接证据，最后没有起诉就将他释放了。
草薙向汤川教授讲述了这两起案件，汤川表现出浓厚的兴趣，此后他成了“并木食堂”得常客。也就是并木佐织父母开的一家餐厅，老板并木祐太郎，老板娘真智子，他们还有一个小女儿叫并木夏美，也就是佐织的妹妹。
被放出的莲沼死性不改，还跑到并木食堂以诬告为由向并木一家索赔，这让本已打算开始平静生活的一家人重燃了对这个恶棍的怨恨，并且比以往更甚。并木祐太郎的发小户岛，佐织的老师新仓直纪以及高垣智也也都非常气愤，准备自己动手“教训”莲沼宽一。
到了巡游这一天，夏美和汤川一起去看巡游，因为餐厅里的一个客人突然不舒服，并木夫妇将她送往医院，并交代夏美看店，到了傍晚的时候众人在餐厅中听到了莲沼宽一死亡的消息。
此后，警方开始着手调查莲沼的死因，对莲沼怀有怨恨的众人都成了嫌疑犯。草薙和汤川一起到案发现场勘查，这间房子的主人是一个叫增村荣治的，是莲沼的酒友，莲沼借宿，暂住于此。尸体被发现在一个小房间内，门上只有一个方形小孔，汤川推断可能是氦气杀人，随后警方在房子不远处发现了氦气瓶。但是过后不久汤川教授在与警员内海熏的谈话中发现了别的可能，并提议从二十三年前的命案入手，且肯定那是拼图的最后一块。
在调查中发现，本桥优奈的母亲藤原由美子是增村荣治同父异母的妹妹。年少时，增村为妹妹倾尽了全部，因为自己有前科，为了妹妹的幸福，主动提出与妹妹断绝关系，自从他得知外甥女遇害和妹妹自杀的消息，就一直在寻找凶手报仇。而他在此次案件中也拒不承认与藤原由美子的关系。
不久，汤川教授也是凭借实验敲定了另外一种可能性，氮气杀人，于是警方把目光投向了并木祐太郎发小户岛的食品加工厂，户岛成了主要嫌疑犯。随后帮忙搬运液氮的智也在警方的逼问下招供了他协助搬运的事实。
之后汤川教授来到并木食堂，将他所推理的告知并祐太郎，户岛将接受法律的制裁，并木祐太郎表示如果他将事实告知汤川将无颜面对其他守口如瓶的人。而就当汤川准备离开的，得知了新仓直纪招供的消息。
增村荣治在得知新仓招供的消息之后，整个人像泄了气的皮球一样。他们本来的计划是：并木祐太郎用液氮的压迫让莲沼说出当年杀害佐织的真相，然后由他来结果莲沼为妹妹和外甥女报仇。
在新仓的口录中说：在知道并木祐太郎和户岛他们计划之后，加入了他们，因为他想看看杀害爱徒的恶棍接受审判时的痛苦表情。但计划就要实施的时候，并木祐太郎的客人出事了，计划要推迟。下次不知又要何时才有机会，所以新仓直纪决定就由自己一个人审判，然后在问出莲沼杀害佐织的原因后杀了他。
警方也相信了这一套说辞，但汤川却发现了其中的蹊跷，莲沼宽一为什么要留着那件残留血迹的工作服？而且莲沼对人夸下海口说，警方无法找到证据来定他的罪，凭此汤川推断出杀害佐织的并非莲沼。
汤川找到新仓直纪的夫人新仓留美子，一步步将自己的推理展现给她：莲沼三年前从凶案现场将尸体转移到老家那栋囤满垃圾的民宅中，三年之后弃尸罪时效已过，一把火让毫无头绪的佐织失踪案重现人间，让警方逮捕自己，像二十三年前一样申请刑事赔偿。但这一次，莲沼没有被起诉就被放出来，所以他只好找“真凶”要钱，甚至想要敲诈并木一家，而这个“真凶”就是新仓留美子。
之后新仓留美子将真相告知了汤川：莲沼多次威胁她，向她要钱，还要求她那啥。在她非常绝望的时候，新仓直纪还带回了并木祐太郎要亲自审问莲沼的消息。这时她将全部真相都说了出来，新仓直纪为了保护妻子，二人故意请了那个在并木食堂闹肚子的客人，将并木祐太郎支开，谋杀了莲沼，直接杀死，没有审问。
经过汤川教授的一番劝导，新仓夫妻将事实真相说出来，推翻了之前的供词。
之所以给“真凶”打引号，是因为新仓留美子在与打算放弃歌手梦想的佐织争吵后，将她推倒在地，匆忙之下，以为佐织已经死了。但佐织的发卡上并没有血液残留，因此凶手到底是谁没能确定，书中也没有给出确切的答案，疑问留给了警方。全书最后以汤川教授的离别结束。