陸羽東・西線を走る急行「もがみ１号」の車中で、若い女性が絞殺された。十津川警部の部下、清水刑事と新妻はたまたま新婚旅行中に、この女性が不審な男と一緒にいるところを目撃する。しかし、男には鉄壁のアリバイがあった。数日後、被害者の兄も死体で発見される。そして、第三、第四の殺人事件が…。容疑者のアリバイを証明する列車トリックを暴くべく、十津川と亀井刑事は東北へ飛ぶ。