夜色如墨，长安城却并未沉睡。更鼓声里，一桩离奇诡案正迅速传遍街头巷尾：数名朝廷重臣，竟在密室之内身首异处，而现场门窗紧锁，唯有死者头颅不翼而飞。流言如野火般蔓延，都说这是“飞头罗刹”重临人间，专噬奸佞。朝野震动，人心惶惶，武则天一道急令，将正于外地查案的大理寺丞狄仁杰星夜召回。
狄仁杰甫一踏入长安，便觉一股压抑的诡谲之气笼罩全城。他并未急于听取刑部冗长汇报，而是换上一身便服，径直去了西市最喧嚣的茶楼。那里是三教九流汇聚之地，也是流言诞生的源头。在嘈杂人声中，他敏锐地捕捉到几个关键词：“子夜时分”、“黑影掠过”、“无头尸身”、“陈年旧怨”。他捻须沉思，所谓鬼神，往往是人心的倒影。
现场勘查更是疑窦丛生。门窗内侧完好，无丝毫撬动痕迹，确系“密室”。但狄仁杰俯身细察，在冰凉的石板缝隙中，发现了几缕极细的、非丝非麻的黑色纤维，以及一丝若有若无的奇异腥气，似鱼非鱼，似药非药。他命人取来最近所有失踪案的卷宗，尤其是与航海、胡商相关的记录，一一比对。与此同时，他那位武艺高强的护卫李元芳，则根据黑色纤维的线索，暗中查访长安城内的能工巧匠与异域商贾。
案件的关键，最终落在一名曾被贬黜、精通机关与南洋异术的旧日官吏身上。此人利用职务之便，早已在几位政敌府邸的房梁暗道中，布下精巧的机关。那“飞头”并非头颅自飞，而是以浸染了特殊药液的坚韧黑线操控，子夜时分从隐秘处弹出，状若飞头噬人，事后又能迅速回收，制造出头颅凭空消失的假象。那奇异腥气，正是南洋某种树胶混合药物所致。动机，则是掩藏一桩涉及海疆防务的巨额贪墨旧案，几位死者皆曾牵连其中。
狄仁杰将计就计，放出假消息引蛇出洞。就在凶手于密室中再次操纵“飞头”，企图加害另一位知情者时，李元芳破顶而入，人赃并获。机关拆解，真相大白，所谓罗刹，不过是贪婪人心操纵的提线木偶。
风波平息，狄仁杰于大理寺值房内，对着摇曳烛火缓缓整理案卷。他想起茶楼里那些绘声绘色的传闻，想起此案若无实证，必将以“妖异”定论，流毒无穷。他深知，比鬼神更可怕的，是深信鬼神的愚昧，以及利用这份恐惧的阴谋。此案之后，或许该将一些勘验推理之法稍作整理，侦探吧里那些热衷奇案的年轻人，若能从中悟得几分求真之志，明辨之理，或许比破获十桩奇案更有意义。窗外，长安的夜空依旧深沉，但东方已隐隐透出一线天光。