名探偵・金田一耕助の孫の一とクラスメイトの美雪は、剣持警部とともに劇団幻想の演出家・黒沢和馬の招待を受け、ホテル“オペラ座館”のある歌島を訪れた。ホテルの劇場では黒沢が演出を手掛ける『オペラ座の怪人』の上演を2日後に控え、劇団員によるリハーサルが行われていた。ところが、その劇場で殺人事件が発生した。殺されたのは劇団員の真上寺聖子で、彼女の死体は舞台のセットの巨大なシャンデリアに圧し潰されていたが、死因は絞殺による窒息死だった。嵐のために外界との連絡手段が断たれた中で、一は捜査を開始する。さらに翌朝、劇団員の緑川の死体が給水槽から発見され、能条が何者かに襲われた。その後、滝沢の自殺死体と遺書が見つかり、事件は滝沢の犯行ということで片づけられたが、納得できずに劇場内を検証した一は、滝沢が他殺だったとの証拠をつかむ。東京に戻った一は、真犯人は能条だと真相を明らかにした。能条は、恋人だった黒沢の娘・美歌を薬を飲ませて自殺に追い込んだ聖子たちに復讐したのである。犯行時間の推定を狂わせる鏡を使ったシャンデリアのトリックなどを解明した一の推理に、能条は素直に自分の罪を認め、東京公演の舞台には立たせて欲しいと懇願した。願いは叶えられ、能条は最後の舞台に立つ。一方、劇場のロビーでは一がさらに新事実を告げていた。滝沢殺害には美歌の同期だった加奈井理央という共犯者がおり、能条の犯行にいち早く気づいた彼女が犯行を手助けしたのだった。舞台の幕が下り、身支度を整えた能条がひとり連行されて行く。一はその後ろ姿を見ながら、事件を生み出した悲劇に涙した。