瀬川里央（松下奈緒）が頼まれた資料を届けるためにビリヤード場に向かうと、南雲準（藤木直人）は5年ぶりに会った大学院時代の友人・吾妻政則（原田泰造）とビリヤード対決をしていた。吾妻は途中で負けを認め、自費出版したという推理小説『交換殺人』を渡して去って行く。同じ頃、とあるマンションで檜山聡が何者かに殺害されていた。
檜山の現場検証にやってきた寺西景（横山裕）、杉浦幸造（泉谷しげる）ら。第一発見者である恋人の田崎マユミ（中丸シオン）は部屋の隅で震えていた。その後の捜査で、檜山の高校の同級生で、会社でも部下であった宮田健吾（尾上寛之）が容疑者として浮上。宮田は学生の頃から檜山にいじめられ、会社でもバカにされ、最近では好意を寄せていたマユミも奪われていた。
動機も十分であることから岩崎幹也（北村有起哉）と江藤真人（与座嘉秋）は、任意同行を求め宮田の部屋を訪ねた。が、宮田は岩崎らを振り切り、路上へと逃げ出す。里央は、そんな宮田を投げ飛ばして身柄を抑えるが、乱闘の際、鼻にパンチを食らってしまう。
取調べの結果、宮田は犯行を否認。犯行時間はファンである地下アイドルグループの特別オフ会で、アイドルと30人のファンと一緒にカラオケに行っていたことが判明した。宮田はそこでケンカを起こしていたため、全員がよく覚えていてアリバイが成立したのだ。南雲は、連日ネットカフェに入り浸っていてアリバイの証明が難しい宮田が、事件当日のみアリバイが完璧すぎることに違和感を覚える。
捜査課では小板橋正次（勝村政信）が杉浦らと宮田の取調べのVTRを見ていた。南雲の本を参考に宮田の仕草や目線を分析した小板橋は、宮田をシロだと判断する。同じVTRを見た南雲は宮田の部屋に行きたいと言い出した。南雲は、宮田が質問から答えまでわずかな間があったことを指摘し、心理分析された際に困らないリアクションを考えた時間であると予測。参考にした心理学関係の本やメモがあるかを調べるために部屋に入ったのだ。
部屋で『交換殺人』を発見した南雲は、里央に“殺したい人間がいる2人が、相手を交換して実行すれば動機や繋がりがわからず警察につかまらない”という小説の中身を説明して、今回の事件はそれを実践したのではないかと指摘する。
吾妻の家を訪ねて小説の販売経路などを聞いた里央だが、うまくかわされ収穫はなかった。しかし宮田への疑いをさらに強くした里央は、張り付くことに。数日後、捜査課の打ち合わせで寺西は里央たちが宮田の部屋で『交換殺人』の本を見つけたことを報告。宮田は檜山を殺してもらった代わりに誰かを殺すはずだと話す。同じ頃、宮田に張り付いていた里央は、いつもと違う行動をとる宮田を不審に思い寺西に電話を入れる。やがて宮田はとある一軒家に侵入した。後を追って家に侵入した里央は、叫びながら2階の寝室から飛び出してきた宮田と遭遇。寝室には女性の死体があった。
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