名探偵は美少女助手
美神アンナ（広瀬すず）は失踪した父・美神始（仲村トオル）を探すためにインドから帰国。
父の友人で探偵の栗田一秋（江口洋介）が経営するネメシスで助手を務めることになった。探偵は風真尚希（櫻井翔）だが、推理能力がないので、もっぱらアンナが推理を担当し、風真は指示に従うだけ。
ドンファン殺人事件、特殊詐欺事件、に続いて遊園地の爆破事件を担当。
そこで知り合った女子大生・四葉朋美（橋本環奈）と意気投合して、数学の知識を応用した朋美の数理と強力して爆弾魔を逮捕した。
その縁で朋美もネメシスに加わることになった。
アンナ、女子校に潜入
デカルト女学院のスクールカウンセラー幸村陽子（村田絵梨）が訪ねてきた。
学園内で転落死した美術教師黒田秀臣（水間ロン）の死の真相をつきとめて欲しいという依頼だ。
警察は黒田を自殺と断定したが、幸村は前向きだった黒田が自殺したとは思えないという。
アンナは女子高生を偽り潜入し、風真は表からの調査を開始した。
神奈川県警のタカ・千曲鷹弘（勝地涼）、四万十勇次（仲村蒼）、小山川薫（富田望生）も乗り込んできた。
しかし、OGの圧力で捜査は当日16:00までに限定された。
限られた人数で総勢150人以上と面談するには時間がなさすぎる。
そこで、AI開発の天才・姫川烝位（奥平大兼）のAIを駆使して、スマホで一気に全員の証言を集め容疑者を特定することになった。
アンナは生徒たちから黒田は女子生徒・夏本レナ（河合優実）と交際していたという情報を入手。
黒田は恋愛の悩みから自殺したというのだが……
幸村の話では、レナは不登校で、黒田の協力で美術の才能を開花し、やっと登校できるようになったという。
他の生徒のやっかみで、噂話が1人歩きしているようだ。
アリバイのない4人
姫川のAIが絞り込んだのはアリバイのない4人だった。
1人きりでカウンセリング室にいた幸村、美術室にいたレナはアリバイを立証できない。
女子生徒西野と南は2人で3階の鏡の前でダンスをしていたという。
用務員の井村との証言では1時間の食い違いがある。
やがて、西野と南は黒田を美術室から突き落としたのは、自分たちだと自白する。
その後、黒田と交際していたのは幸村だったことが発覚。
学院では教師同士の恋愛も禁止で、2人の交際は秘密だった。
いつもどおりアンナは事件現場のイメージに潜入する。
アンナの推理で、西野と南は犯行時に3Fにいて、2人の自白は嘘だと分かった。
時刻が食い違っていたのは井村が鏡から時計を見たから。
西野と南は相思相愛で、2人の交際を後押ししてくれた幸村に容疑がかからないように、嘘をついた。
レナが交際していたのは教師・平であったことが判明。
レナと平が一緒にいるのを目撃した幸村は秘密を守るためにカウンセリング室にいたと嘘をついていた。
そこで犯行時、平と一緒にいたという教頭・南禅寺（MEGUMI）の証言に矛盾が生まれた。
平はレナとの交際を発覚するのを避けるために、南禅寺のアリバイ作りに協力した。
黒田に好意を持つ南禅寺は、幸村との関係を学校にばらすと脅迫し、黒田に交際を迫った。
南禅寺の言葉をスマホに録音しており、交際を拒絶した。
南禅寺は黒田のスマホを水没させて、中庭に誘い出し、中庭工事に使用するブロックを黒田の頭部に落として殺害した。
黒田は中庭におり、転落したのはブロックの方だった。
しかし、思い込みより、目撃者は黒田が転落したと錯覚していた。
菅容子の謎
栗田は事件のどさくさで学院の資料室に潜入して、菅容子（今村美乃）の名簿を確認しようとした。
しかし、既に何者かに先回りされ、資料は破り取られていた。
菅はたびたび女学院で講演を行っており、自らの病気克服のために、研究を始めたと語っていた。
その日はアンナの誕生日だった。
栗田が事件現場に遅れたのは、アンナの誕生日ケーキを作っていたからだ。