静養のため奥深い山中の村「鬼首(おにこべ)村」を訪れた金田一耕助（稲垣吾郎）。子供たちが歌いながら手毬をしているのどかな田園風景が広がるその村では、人気歌手の大空ゆかり（山田優）が帰郷するというので、青池歌名雄（平岡祐太）ら若者たちが沸いていた。橘署長（塩見三省）の紹介で予約をしている「亀の湯」という古い温泉旅館に着いた金田一は、手毬唄を口ずさむ美少女を見かける。しかし振り向いた彼女の顔半面は赤い痣に覆われていた。驚く金田一に女将の青池リカ（かたせ梨乃）が声をかける。少女はリカの娘・里子（柴本幸）で、痣は生まれながらのものであるという。

金田一は「おしゃべりの庄屋」で通っている多々羅放庵（麿赤兒）と温泉で語らった帰り道、峠で放庵の出奔していた妻・おりんを名乗る老婆とすれ違った。しかし翌日、リカから、おりんは既に亡くなっていたことを知らされる金田一・・・。その日、放庵の住まいを訪れた金田一が見たものは、血だまりとおりんからの手紙、そして「お庄屋ごろし」の名を持つ毒草だけ。放庵の姿は忽然と消えていた。そして、金田一は現場に駆けつけた橘署長から、23年前にまさしくこの場所で起こった殺人事件の顛末を聞く。それは、由良家と仁礼家の両家の勢力争いを背景に、リカが巻き込まれた悲劇だった。容疑者である恩田幾三（谷原章介）というひとりの詐欺師が行方不明になり、事件は迷宮入りしていた。

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そうこうするうちに、大空ゆかりが高級車に乗って到着した。歓喜する若者たちを尻目に、憮然とした表情の村人たち。中には「人殺しの子」とあからさまにゆかりを揶揄する老人もいて・・・。実はゆかりは、恩田幾三の娘だった。
その夜、ゆかりを歓迎する祭りが開かれた。やぐらでスポットライトを浴びて歌うゆかりを、仲むつまじく寄り添って見ている歌名雄と由良泰子（中丸シオン）の様子を、仁礼文子（多岐川華子）が物陰からうかがっていた。
金田一と橘が祭りへ向かっていると、道端に里子の姿が。そこへ歌名雄らがやってきて、泰子を見なかったかと聞く。里子は、少し前に、泰子が老婆に手を引かれていくのを見ていた・・・。

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翌朝、滝壺で泰子の死体が発見された。口にはガラスの漏斗が差し込まれ、上の岩に置かれた枡から滝の水が注がれているという異様な光景に、駆けつけた金田一、橘、そして村人たちが言葉を失っている中、泰子の母・由良敦子（山口美也子）が、村の有力者・仁礼嘉平（石田太郎）に向かって、あんたがやったのかと唐突に尋ねた。泰子の死体を見つめ放心していた歌名雄は、突然滝壺に入っていくと、泰子の亡骸を抱きしめた。実は、歌名雄と泰子は結婚するつもりでいたが、仁礼が娘の文子を嫁にもらってほしいとリカに直談判していたという経緯があり・・・。

休暇返上で聞き込みをする金田一だったが、複雑な人間関係と人々の思惑を知れば知るほど謎が深まるばかり。そんな中、第２の殺人が行われた。むごたらしいその死体の様子が、ふと耳に入ってきた手毬唄の歌詞と重なり、金田一の背筋に戦慄が走った。