法医三澄美琴在非自然死亡原因研究所（简称UDI）工作，研究所坐落在东京都23区以外的西武藏野市中心，接收全国各地发现的死状异常或因遇害而死的遗体。每年，这里受警察和地方自治体委托处理的遗体大约400具。解剖这些遗体并查明死因就是UDI的职责。UDI有两个团队——三澄班和中堂班。三澄班的主刀法医是美琴，临床检查技师是东海林夕子，记录员是久部六郎。中堂班的主刀医生的中堂系，临床检查技师是坂本诚。而统率这两支富于个性的团队的人是所长神仓保夫。这天，一对中年夫妇造访UDI。他们那独自生活的儿子高野岛渡去世了，警察方面判定是虚血性心脏病。高野岛夫妇不认可这个死因，因为儿子很年轻，喜欢登山，身体健康，就算是外行也不相信这样的人会有心脏病。他们希望警方能调查儿子的真正死因，但警方以案件没有疑点为由拒绝了。美琴等人马上开始解剖。结果发现心脏没异状，反而发现了急性肾功能不全的症状。美琴怀疑是毒药致死，进行了详细调查，却不能确定是哪种毒药导致死亡。这时，传来消息，和高野岛一起工作的年轻女同事在高野岛去世的第二天也突然死亡，死因不明。为了查明死因，美琴、六郎和东海林一起去了高野岛的公寓，遇到了高野岛的未婚妻马场路子。马场也是高野岛遗体的第一发现人。他们听说马场的工作是开发某种剧毒药品。因为没人知道的毒药，所以她开发的是“无名毒”。在现有的毒药鉴定体系中，法医只能用已知的毒药进行对比检测，所以没法检出“无名毒”。也就是说高野岛是被害的。当马场被问及高野岛死亡时她是否有不在场证明时，她竟微笑着说她一个人在家，所以没有不在场证明。

美琴所在的UDI团队接到来自警方的委托，到集体烧炭自杀的现场进行勘查。现场有四具遗体，刑警毛利主张这不是案件，而美琴决定进行解剖。解剖结果表明，有三人是一氧化碳中毒，可以断定为自杀。但是，有一个少女的死因却是“冻死”的。而且不可思议的是，在她的胃里发现了呼救纸条。美琴确信这是一起杀人案。她和六郎等队员不顾所长神仓的阻止，尝试解读身份不明的少女留下的信息的意思。为了更快破案，美琴邀请六郎去温泉。前往温泉时，美琴和六郎发现了令人震惊的事实。而此同时，生死悠关的危机也向二人袭来。

美琴作为半年前发生的“主妇博主杀人案”的证人出庭。被告是被害者的丈夫要一。他承认有罪，说杀人动机是不堪忍受妻子的精神虐待。然而，在审判中，美琴发现作为证物提交的菜刀并非真正的凶器，她当场指出了这一点。听到她的话后，被告要一也突然翻供，声称自己无罪。法庭上一片混乱，检察官鸟田很生气。所长神仓担心与检察厅作对会影响警察厅给UDI的拨款，而美琴则决心再次出庭以便找出此案的真相。于是，她与能颠倒黑白、检控成功率高达99%的检察官，在法庭上展开了对决。

UDI接到美琴的母亲、律师夏代解剖尸体的委托。夏代想探明年纪轻轻就因摩托车事故而去世的佐野的真正死因。佐野与妻子及两个孩子一起生活，他的摩托车意外险过期限了，而且没有买人寿保险，所以他的妻子可奈子走投无路。夏代想帮助可奈子，所以委托UDI解剖佐野的尸体。佐野发生事故的原因，有三种可能性：第一，佐野因在工厂长时间工作造成过度疲劳；第二，他驾驶的摩托车在修理时出现失误；第三，他的专职医生漏诊，没有发现他患有疾病。死因不同，责任方就会不同，所以对遗属来说，查明死因是当务之急。而且，受怀疑的工厂厂长、摩托车维修店的长、以及医院的律师都来到UDI，开始互相推卸责任。秉持中立立场的美琴团队着手进行解剖，发现佐野是死于意外原因。另一方面，UDI收到威胁信，信上写着“如果你不自动消失就要受到制裁”。中堂说这是写给他的。由于这件事，经常驱使殡仪馆的木林、举止怪异的中堂的秘密终于曝光了。

东海林参加了高级健身房举办的一个联谊派对，第二天一早醒来时，发现自己躺在酒店的床上，而身边是昨晚参加派对的权田原的尸体。东海林脑子里乱糟糟的，连忙打电话把美琴叫到酒店。美琴向她了解详细情况，而东海林完全不记得离开派对后发生了什么。这时，美琴注意到权田原的遗体有点异样。另一方面，在UDI，中堂和六郎正在解剖一位在道路边猝死的男性的尸体。很偶然地，那位男性被发现与权田原有着令人意外的关联。警察视这两起案件为连环杀人案，开始进行调查，东海林成了嫌疑人。中堂说如果随警察去警局协助调查就会被当成杀人犯，劝东海林快点逃走。美琴等UDI成员则致力于察清死因以洗清东海林的嫌疑。

某日，美琴的手机收到一条神秘短信，上面写着“如果看到这个请回电话”，下附链接地址。发信人是美琴在预科学校工作的弟弟介绍的高一男生白井，据说那个孩子对法医学感兴趣。美琴点击了链接，结果看到一个直播视频。那是由叫“杀人者S”的学生发布的“杀人实况直播”，画面上展示的是Y的遗体，“杀人者S”称人是自己杀死的。“杀人者S”向美琴发起挑战，问她Y的死因时什么。如果美琴回答错误，那么，人质X就会被杀。中堂说这是挑衅，但美琴还是不顾他的阻止，决定与S决一胜负。然而，仅凭直播画面上的影像，美琴无法确定死因。而这一事件背后还隐藏着其他秘密。

在一栋商住两用大厦里发生了火灾，十具被烧死的尸体被送到UDI。尸体烧得焦黑，全体都身份不明。因为数量太多，美琴、中堂等UDI成员，以及前来支援的坂本，一起进行解剖，但是要查明死者的身份十分困难。另一方面，神仓去拜访他仰慕的将棋老师。老师的妻子一年半以前去世后，是由UDI负责解剖的，但是，老师至今不能接受妻子去世的事实，所以拒绝拿回遗体。在UDI，根据美琴等人的解剖结果，第九位死者很可能在烧死前后脑部遭到重击，另外，死者腰部有像是被绳索捆过造成的皮下出血，美琴怀疑这不是单纯的火灾，而是凶手为掩盖杀人而放火。火灾现场唯一的生还者高濑正住在六郎父亲俊哉的医院里。这时，俊哉造访UDI，一是告知生还者的状况，二是要求UDI解雇他的儿子六郎。

人们在放于一所空房中的施行箱里发现了一具年轻女性的遗体。美琴在检查遗体时，发现死者口中与中堂的恋人夕希子一样的“红金鱼”印记。这种口中有“红金鱼”印记的尸体，包括夕希子在内一共有三具。UDI认为这些有“红金鱼”印记的死者极有可能是被同一个凶手所害，并把此事报告了毛利刑警。但是行利说没有正式的证据，所以没有理会UDI。即使如此，美琴等人为了解开凶手留下的提示，开始解剖行李箱中发现的女性遗体，调查她的死因。遗体胃内的东西散发着强烈的腐败的气味，这让美琴感到不对劲儿。另一方面，神仓看了过去周刊上登的有关UDI的报道，心中产生怀疑。他到警察厅造访时，又看到更触目惊心的报道。

涉嫌杀害以中堂的恋人夕希子为首的多名女性的高濑，突然向警方自首。然而，他只承认破坏遗体，否认杀人。因为没有他杀人的直接证据，美琴等人一边恨得咬牙切齿，一边继续寻找能将高濑定罪的证据。这时，六郎为周刊提供UDI情报的事曝光，UDI面临崩坏的危急局面。