1952年東京。探偵の榎木津礼二郎（阿部寛）は、失踪した14歳の少女・可菜子（寺島咲）の捜索を元女優・袖木陽子（黒木瞳）から依頼される。可菜子は、陽子が柴田財閥の会長の孫との間にもうけた娘であり、可菜子の後見人の座を狙う財閥の顧問弁護士・増岡則之（大沢樹生）に身柄を確保されていた。榎木津と陽子は、増岡の家に可菜子がいると見抜くが、既に可菜子は同級生の楠本頼子(谷村美月)を連れて逃げ出していた…。その10時間前。作家の関口巽（椎名桔平）に編集者・鳥口守彦（マギー）が、世間を騒がせている少女バラバラ殺人事件の原稿を依頼する。関口は軽く受け流すが、その後偶然に顔を合わせた幻想小説家・久保竣公（宮藤官九郎）から、関口が寄稿する雑誌の編集部からバラバラ死体の一部が発見されたことを聞く。若手記者・中禅寺敦子（田中麗奈）を連れて関口が編集部へ出向くと、鳥口から新興宗教“深秘御宮教”の信者リストを渡される。その中の10人が最近失踪しており、バラバラ殺人事件の被害者も含まれているらしいという。関口と中禅寺は夫婦を装い、教団の教主・寺田兵衛（大森博史）に面会する。その夜、駅のホームから可菜子が転落、一緒にいた頼子は、男が可菜子を突き落としたと証言する。瀕死の重傷を負った可菜子は、翌早朝、陽子とともに“匣館”と呼ばれる美馬坂医学教授の研究所へ運ばれた。2日後、関口と鳥口は、敦子の兄であり古書“京極堂”店主にして陰陽師の中禅寺秋彦（堤真一）を訪ねる。関口は寺田の家系から、美馬坂との接点を推理し、翌朝、教団本部を訪れた京極堂らは、久保が寺田の息子であると暴く。一方、榎木津は久保の住居で手足を切断された頼子を発見、榎木津も久保に刺され重症を負う。その1週間後、久保の轢死体が見つかるが京極堂は、久保が美馬坂幸四郎（柄本明）にかくまわれていると断言。京極堂は事件を追う木場（宮迫博之）らとともに匣館へと向かう……。