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新聞記者リーは警察がザビエ博士と共に女の死体を検視していると聞いて、これはてっきり「満月殺人事件」一と察して探訪に着手した。半年前から引き続き満月の夜になると医科大学の外科室付近で殺人が行われた。一様に他殺されて肉が切取ってあるのが犯行の特徴だった。第六回目の犠牲者が出たのでザビエ博士は大学の名誉にも関わるというので四十八時間以内に犯人を発見すると警察に約した。博士は外科研究所の博士連を集めて心理実験を行う。人肉嗜好者の研究者ウェルズ博士、動物実験の大家ヘインズ博士、月光と精神病の関係を研究中のトウィッツ博士及びデューク博士とザビエ博士自身とが、精神運動による血液反応を熱量として記録する装置に各自の腕を連絡して、満月殺人事件の犯人を見いだそうとするのである。犯人は手を以て他殺するのであるから隻手のウェルズ博士は除外されて記録係となる。犠牲者の役は女中のマミイが勤め、殺人者の役は下男オットが勤める。リーは戸棚の中に隠れて実験を見ようとしたが何者かが有毒瓦斯を戸棚に送って彼を気絶させてしまった。実験中電灯が消えてしまう。明かりがつくとウェルズ博士は気絶し、ロウィッツ博士は脳を刺されて即死している。翌日の実験には女中が病気になったのでザビエ博士の娘ジョーンが代理を勤める。博士たちは今度は椅子に縛られ手錠をはめられることとなる。実験が始まり下男の殺人者がジョーンに近づく。ところがそれは下男でなく殺人者彼自身だった。ジョーンは救いを求める。リーは飛び込んで暗黒の中に殺人者と格闘したが投げ飛ばされ、殺人者は逃げる。リーは咄嗟に実験用のランプを投げつけた。殺人者は火達磨となって窓を飛び出し断崖から落ちて死んでしまう。殺人者は果して何人であったか。