犀川研究室成员之一的犀川创平，以及犀川恩师的女儿西之园萌绘关系密切，尽管萌绘并不是犀川研究室的成员，但还是经常参与讨论。萌绘对“天才程序员”真贺田四季好奇不已，甚至走后门见过真贺田。真贺田14岁时由于涉嫌杀害双亲而被逮捕，那以后，她就以精神失常为由被隔离在了妃真加岛上的私立研究所……

在萌绘的提议下, 犀川研究室全员前往妃真加岛，他们的目的地正是真贺田研究所，真贺田研究所的山根幸宏负责接待他们。真贺田这十五年来没有踏出研究所一步，都是通过荧幕接受采访，而且处处受人监视。夜晚，研究室全员在海边露营，萌绘和犀川前往真贺田研究所，而此时真贺田却和叔叔外出了。

真贺田惨遭杀害，她的手脚都不见了，真凶就在真贺田一直呆着的房间里。整个研究所的网络都被切断了，面对无法报警的情况，众人相互猜疑，萌绘和犀川也被卷入杀人事件中。真贺田的房间只有一个出口，监视器上也没有出现嫌犯，真贺田家仅剩最后一位幸存者，真贺田的妹妹……

新藤所长在直升机上惨遭杀害，无线电被人切断，现在仍旧无法联络警察，而犯人还在研究所里。杀人事件再次发生，大家的情绪都很不稳定。为了查找线索，众人来到真贺田的房间，在真贺田的寝室里发现了名为道流的机器人，但道流却一无所知。在真贺田的电脑里，犀川找到了真贺田的死前书信。

睡梦中，萌绘想起了曾经与真贺田的对话，不禁惊醒过来。犀川安抚萌绘，但他自己也正处于混乱之中。所长夫人新藤裕见子来研究所慰问大家，萌绘向她询问真贺田杀死双亲的真相。栗本其志雄、佐佐木栖麻、真贺田道流都是真贺田四季的分裂人格，而这些人格都是四季模仿他人而来的……

犀川决定离开研究所，尽管萌绘不情愿，但她还是跟着犀川回到营地。萌绘将真贺田研究所杀人事件告诉同伴，犀川则独自分析着可能存在的线索，遗书中的那句“全部成为F”成了最大的谜题。山根找到犀川，希望他能隐瞒真贺田遇害的事实。深夜里，萌绘和犀川互吐心声，两人决定重返研究所解开杀人之谜。

犀川和萌绘开始调查真贺田的房间，但还是毫无线索。15年前真贺田杀害双亲时，程序设计师水谷也在现场，犀川找水谷谈话，萌绘则跟着岛田来到娱乐室放松。犀川完全找不到真贺田被杀的理由，就连真贺田的妹妹未来对此也一无所知。萌绘在脑内娱乐设施中竟然见到了死去的真贺田，在真贺田的诱导下，萌绘想起了双亲去世的场景……

萌绘将在机器中见到真贺田的事告知犀川，但她也搞不清楚这位真贺田的真实身份。研究所的成员都可以登录这台机器，而此时一个新的名字被注册了，这个名字正是道流，犀川认为有人在恶意模仿真贺田。研究所的成员计划让未来假扮成真贺田，萌绘和犀川也将成为骗子中的一员。

萌绘联系了自己的部长叔叔，将杀人事件和盘托出，没多久警察便来到研究所进行调查。犀川确认了真贺田房间入口的监视器影片没有档案遗失，如此一来真贺田事件就成了完美的密室杀人案件。15年前真贺田一个人进入研究所的房间，但那间房子里其实有两个人，当时的真贺田已经怀有身孕了……

真贺田与萌绘和犀川在脑内交流，“全部成为F”的真相终于揭晓。其实死者并非真贺田，而是她的女儿，为了隐藏女儿的真实身份，真贺田切断了她的手脚。然而一开始，真贺田的计划是要女儿在十五岁时杀死双亲，也就是所长和她自己。最终计划发生偏差，真贺田只好亲自动手，杀死了所长和女儿，自己离开了实验室。

最近萌绘很少和犀川教授联系，因为犀川被警方暗地监视着。在犀川实验室，一位稀客突然来访，此人正是被警方通缉的真贺田。真贺田与犀川闲聊，两人针对爱与自由展开深刻讨论，犀川终于明白了真贺田的世界。真贺田走后，萌绘来到实验室，两人讲起了萌绘爸爸的事，一切回归日常。