在旅行的列车上，美雪（铃木杏 饰）再次邂逅了金田一（松本润 饰），并追随于他。同伴用手中的DV记录着发生的一切。某夜，一个木偶团长不幸被害。案发后，警探发现他原本在车厢里的尸体不翼而飞，于是引起了一阵骚乱。探长决定在一家酒店暂时住下，找寻犯罪嫌疑人，金田一等人也一同前往。后来，根据案情，嫌疑人被锁定在木偶团体成员之中，探长想通过体重以缩小搜查范围。但是，一个女成员的意外死亡，却让金田一发现了隐藏的秘密，并由此揭开了一桩尘封多年的旧案真相……本片根据天树征丸的漫画改编，除上述特别版魔术列车杀人事件外，还包括以下6个事件，分别为幽灵客船杀人事件、法兰西银币杀人事件、黑死蝶杀人事件、速水玲香诱拐杀人事件、魔术的森杀人事件和露西亚人形杀人事件。
故事发生在北方小城南石市，为了维护法律正义，公安局廖芳华将以薛风、萧琳、鲇鱼头、王泉为首的犯罪团伙抓进了监狱，临近公审，薛风却在转移监舍时被刺，鲇鱼头在越狱时被触电，只有萧琳因为怀孕不适合羁押，不得不放出去监视居住。萧琳为了掩盖自己的罪行，表面装得遵纪守法，暗地里却指使手下黄平安打捞王泉，获取掌握在王泉手里装有自己和薛风犯罪证据的一个优盘，并企图在廖芳华儿子身上下手，搞垮廖芳华的意志，为自己争取时间，达到逃脱法网的目的。廖芳华率领干警层层剥笋，紧紧抓住萧琳犯罪集团内部矛盾，为寻求自保留下的证据线索，排除一个又一个障碍。薛风的秘书张云为求自保，刺杀了萧琳，就在她企图夺回优盘并销毁时，被廖芳华一举
张大勇（陶大宇 饰）与干探李忠义（梁荣忠 饰）侦察一件件扑簌迷离的案件，很多案件都是案中案，谜团一个接一个，但他们还是能用自己的聪明才智揭露案情的真相，力求把犯罪分子绳之于法。他们的感情线也是同样曲折迂回：与沙展勇本是青梅竹马情侣的女友容金枝（苏玉华 饰），贪图富贵， 离开了勇却又与忠义有过一段情。记者高婕（郭可盈 饰）在与阿勇共同查案的过程中擦出了爱的火花，但由于婕本身就有男友，两人的关系进退两难……
