《蒙面旅館》的故事從東京連續三起命案現場留下的序列碼開始。搜查本部通過分析這三起事件的代號代碼，得出第四起殺人事件將發生在“東京科特西亞酒店”的結論。為了防止第四起事件，在酒店裏安排了幾名搜查人員，以服務員的身份進行搜查。
壹個失明的女嘉賓，偏童，首先引起了新天的懷疑。從各種細節來看，她應該是個正常人。結賬後，偏通主動承認自己不是瞎子。我是來找我失明的丈夫的。現在她對酒店的服務很滿意，會讓老公住的放心。有了這個理由，才能打消新天的懷疑。
壹個叫安野的女人住在酒店裏，拿著壹張照片，稱照片上的人是跟蹤狂。前臺看到這個人的時候請告訴她。當照片中的“跟蹤者”來到酒店時，尚美發現這位名叫關林的先生很有教養，在登記入住後沒有詢問其他客人的情況。為了所有的客人，尚美去了安業的房間，提醒她不要靠近關琳的房間。
過了壹會兒，尚美才反應過來，受害人怎麽會有跟蹤者的照片？也許Anyo是跟蹤者，犯了壹個致命的錯誤。果然，酒店監控顯示安野是去圖書館森林的房間。尚美和新田急忙趕了過來，幸好趕來抓奸的安業只拿出了壹份離婚協議書。
安業不是兇手，但這件事也讓尚美意識到壹個問題。酒店員工經常引來客人反感，說不定兇手的目標就是員工。只是這個想法稍縱即逝，尚美並沒有向新天提起。
新田曾經調查過第壹起殺人案。起初懷疑死者岡部挪用公款，被同夥殺害。事發時，正木的前女友何謙撥打了正木的座機，這壹點可以得到何謙女友井上的證實。因為正樹的家離兇案現場有壹個小時的路程，所以正樹被排除了嫌疑。
但是尚美出於女性的直覺，並不認為前女友會給前男友打電話，除非有人鼓勵她們。此外，受酒店程控電話的啟發，新田認為井上竊取了何謙手機中存儲的號碼，並在案發當晚撥打了附近的座機，而不是正樹的。
正樹和井上很快被逮捕。經查，井上與被害人岡部有曖昧關系，兩人因感情糾葛，配合正樹殺人。但是事情並沒有結束。在正樹的電腦中，警方恢復了被刪除的郵件，並確認他們與另外三人合謀實施了壹系列謀殺。他們為了自己的目的而犯罪，通過偽裝成連環殺人案來誤導警方。當這個偽裝被揭開後，前三起案件的偵破只是時間問題。只有第四個仍然是個謎。
所有部門的人都更加謹慎，等待兇手出現。前臺送來壹份禮物，註明是送給新郎高山小姐的，她要在酒店舉行婚禮。新天註意到禮物是用百貨公司的包裝紙包著的，但不是百貨公司送的。經檢驗，軟木塞無明顯針孔，禮品紅酒中檢出劇毒成分。
警方的重點立即轉向保護高山小姐和她的未婚夫，並在婚禮上部署工作人員加強警衛。只是功勞最大的新田沒能參加行動，還得留在前臺。
第二天的婚禮現場，壹名嫌疑人被成功抓獲，在他的口袋裏發現了壹個信封，裏面裝著壹張寫有數字的紙條。但嫌疑人聲稱自己只是被委托從網上投遞信件。
這時，另壹名警員發現了壹起疑似案件。死者松岡，戲劇演員，曾入住科特西亞酒店，腳踝有針孔，死因不明。新田看到海報時很驚訝。這張戲劇海報上不僅有松岡，還有壹塊桐。新天明白了，被聲東擊西所誘惑。
此時，皮安通再次入住酒店，並叫尚美帶她去她的房間。新田沖過去，看見張彤用註射器刺尚美的脖子。新天用力拉著張彤去救尚美。
原來壹年前，我沒心沒肺的男朋友松岡入住了壹家酒店。當時，懷孕的偏童找到酒店，詢問房間號，但前臺的尚美婉拒了。在酒店外等了壹夜，偏通又冷又累，流產了。因此，她殺死了松島，並要求尚美和她的孩子葬在壹起。
第二種情況，為了騙取保險金而殺妻的丈夫被抓；在第三起案件中，死者的學生向警方自首。第四個音符指向第壹個案件的位置，壹個循環也表示所有案件都已解決。