鉄道模型「SLやまぐち号」を販売していた男が殺害された。捜査を始めた十津川警部は鉄道マニアの犯行であると判断し、「SLやまぐち号」最後の運行に犯人が現れるとして山口県に向かった。だが、犯人と思われる人間の姿はなく、新たに女性の他殺体が発見される。被害者のバッグには「SLやまぐち号」の模型が入っており、その後、鎌倉、京都で相次いだ殺人の現場からも模型が……殺人犯からの挑戦状なのか！？