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。
故事从在九州乡下长大的浅葱空豆（广濑铃 饰）与梦想成为音乐家的青年海野音（永濑廉 饰）的命运般的相遇开始。原本以为一辈子都不会再见面的两人却在东京一处开始了合租生活，他们早已坠入爱河，却没有开始恋爱，仿佛处在白天和黑夜之间的暧昧而耀眼的“黄昏时分”。
刈部清一郎（铃木亮平 饰）是一名天才少女漫画家，创作出许多部让读者内心怦怦跳的出色少女漫画作品。然而，躲在笔名背后的他竭力隐瞒着自己的真实身份，他的感情经历和生活轨迹对于读者们来说是一个巨大的谜团，清一郎也从来不会雇佣助手，一直都过着单打独斗的生活。某一日，一个名叫纯的孩子走进了清一郎的生活，他的存在彻底改变了清一郎的世界。 久远爱子（吉冈里帆 饰）是殡葬公司的职员，让她没有想到的是，有朝一日，她竟然要去操办自己初恋情人的葬礼。在机缘巧合之下，爱子和清一郎相遇了，爱子成为了清一郎的“恋爱调查官”，在清一郎的指令下体验各种不同的恋爱经历，收集情报，提供给清一郎用以创作。
日本警视厅特殊部队（SIT）小队长濑文焚流（加濑亮 饰），在一次执行任务时遭遇队友的离奇死亡，面对高层他百口莫辩，最终被调职到公安部公安第五课——不明事件调查科。该部门专门调查一些匪夷所思的超自然案件，当然在所谓“科学昌明”的现代化社会，这也意味着第五课是一个很难得到认可的边缘部门。除濑文外，第五课只有油滑的上司野野村光太郎和智商高达201的怪女孩当麻纱绫（户田惠梨香 饰）。在此期间，预言师、神之手等各种各样拥有超能力（SPEC）的人物接连登场。 濑文在和当麻办案的过程中，渐渐趋近了一个鲜为人知且充满阴谋和秘密的未知世界……
恐怖分子在一间教堂里散播病毒，导致俄罗斯东部一座城市完全消失。同样的噩运即将降临日本，日本警视厅严阵以待，并请18岁的天才黑客高木藤丸（三浦春马 Haruma Miura 饰）协助参与其中。藤丸的父亲也是警察，原本负责这起案件，后因卷入误杀事件而被通缉。恐怖组织的折原麻弥（吉濑美智子 Michiko Kichise 饰）以生物老师的身份进入到藤丸所在的高中，并监视着藤丸。为了保护妹妹小遥生命安全，藤丸不得已答应了恐怖组织的要求盗取发电厂管理员密码给对方。在百货公司里，致命的bloody—x病毒怀疑被小丑散播，警视厅出动所有人力，为求保住东京市，差点让所有人命丧当地。幸好藤丸及时发现病毒是假的，虚惊一场。但当所有人都暂时放下心来时，恐怖组织已经开始踏出真正的第一步。 Bloody Monday，是所有死去的人最后说出的话，也是最大的秘密与阴谋。
