十津川警部（高橋英樹）と亀井刑事（愛川欽也）は、宮田直人（佐伯新）が自殺したことを新聞記事で知った。宮田は、1年前に起った殺人事件の目撃証人だった。十津川は、宮田自殺の記事を見たとき、2週間ほど前に三浦半島の海岸で溺死した大石あずさ（黒澤はるか）のことを思い浮かべていた。
　1年前、中野にある喫茶店の主人・本間順一（久保酎吉）が白昼の店内で刺殺されるという事件が発生、刺したのはかねてから金銭トラブルのあったヤミ金融の社長・松木弘（中村譲）だった。そして、このとき店内にいたのが、ウエイトレスのあずさと4人の客で、その客の中の一人が宮田だった。
　松木は本間をナイフで刺したあと逃走を図ったが、まもなく逮捕され、懲役12年の判決を受けていた。この裁判で、証人として出廷した宮田たちに、松木は「お前たちを一人残らず殺してやる」と罵声を浴びせていた。だが、松木は収監されて間もなくクモ膜下出血で病死したのだった。あずさの溺死と宮田の自殺は果たして偶然なのか？　新聞記事によると、宮田はバスルームで手首をカミソリで切って死んだらしい。
　十津川と亀井はとりあえず三鷹にある宮田のアパートに向かった。所轄署員によると、死体が発見されたのは前夜9時過ぎのことで、宮田の下の部屋の住人から、天井から水が漏れているとの通報があり、駆けつけた管理人が上の階の宮田の部屋で彼の死体を発見したのだという。所轄署員は、現場の状況から他殺を疑わせるようなものは何もなかったと言い、ただ、部屋のカギは掛かっていなかったと付け足した。
　二人はその足で松木の恋人だった木村弥生（京野ことみ）のもとを訪ねる。弥生は、宮田が自殺ことなど知らないし、過去のことはもう忘れたいと二人に語った。だが、そう言う弥生の部屋には、宮田の死を伝える新聞が置かれてあった。なぜ、弥生はウソをつかなければならないのか、十津川と亀井は弥生に不審なものを感じる。
　そんな中、本間殺害事件の目撃者のうちの二人、店の常連だった小川長久（有川博）と当時大学生だった黒柳恵美（橋本愛実）が相前後して行方不明になってしまう。小川は旅行に出ると家族に言い残し、恵美は山形の実家に戻ると、念のため彼女を訪ねた亀井に語ったまま連絡が取れなくなってしまったのだ。
　恵美と小川の足取りを追ったところ、二人は同じ日の『やまびこ・つばさ111号』に乗り込んだことが判明する。この列車は、東北新幹線の『やまびこ111号』と山形新幹線の『つばさ111号』が連結されたもので、福島で分離されたあとやまびこは終着地・仙台に、つばさは新庄に向かう。二人が同じ列車に乗ったのは何らかの理由があったのか？　十津川と亀井は、恵美や小川の身を心配するが…。