現場に凶器など一切の遺留品がないのを見た絵里子は、犯人は頭がキレ、几帳面で粘着質な性格だと推測。対策室の木元真実（戸田恵梨香）、山村啓輔（温水洋一）、片桐琢磨（玉山鉄二）、花形一平（溝端淳平）、岩井善治（ケンドーコバヤシ）らに捜査の指示を出すと、英明女子学院へ向かう。
学校の入り口で女子高生・石原由貴（志田未来）と会った絵里子は、自分を瞬時に刑事だと見抜いた由貴が気にかかる。そんな中、かつて増岡と交際していたという由貴に、絵里子は事件当夜の行動を尋ねる。由貴は塾の自習室にいたと言うが、アリバイは証明されない。
関係者の中で、唯一アリバイが証明できない由貴。絵里子は、野立信次郎（竹野内豊）の承諾を得て、由貴から話を聞く。
同じ頃、増岡の自宅付近のゴミ箱から、凶器など証拠品が見つかった。その中に、増岡の同僚の教師・二宮奈津子（西山繭子）の写真があったことから奈津子が事情を聞かれるが、奈津子は増岡との交際は認めるものの、殺人は否定する。
科捜研の奈良橋玲子（吉瀬美智子）は、遺体から日本では入手困難なマニキュアの成分が検出されたと報告。さらに、そのマニキュアを扱う輸入雑貨の顧客名簿に奈津子の名前が見つかった。状況証拠は奈津子が犯人だと示すが、絵里子は真犯人は別にいると感じていた。そんなとき、増岡の死亡推定時刻に由貴が塾周辺のコンビニにいたことが防犯カメラの映像から明らかとなり、由貴のアリバイが証明される。
一方、増岡の死亡推定時刻に増岡のマンション前で、タクシーに接触した自転車があった。乗っていたのは、由貴の親友・坂井沙織（水沢奈子）だった。さらに、花形らが調べると、沙織も増岡と付き合っていたことがわかる。
由貴に会った絵里子は、捜査のために沙織にポリグラフ＜嘘発見器＞を受けるよう話してくれと頼む。しかし由貴は、沙織は犯人ではない、奈津子のほうはどうなっているのかと尋ねる。絵里子は、完璧に偽装工作する犯人が証拠品を現場の近くに捨てることはありえないし、さらに、自分と同じ豊洲のスポーツクラブに通っている奈津子が犯人とは思えないと話す。また、証拠品として、増岡の日記と携帯電話が見つかっていないことも付け加える。
後日、由貴に付き添われて沙織がポリグラフを受けにやってくる。取調室に入った沙織は、真実から事件に関する質問を受ける。その様子を隣室で見守る由貴。すると、突然、由貴が声を荒げた。取調室のカメラが自分を撮影していると言うのだ。赤外線モニターで顔の毛細血管の温度を測りその収縮具合で、緊張の度合を知ろうしていると怒る由貴。さらに、瞳孔の収縮から緊張状態を見るカメラがあることにも気づく。アリバイがある自分がなぜ疑われるのか、と怒りが収まらない由貴に野立らは、増岡の死亡推定時刻に1時間の誤差があり、由貴にも犯行が可能であったと話す。
数日後、最後の取調べを行うため由貴と対峙した絵里子は、自分の推測だと言いながら話し始める――。
由貴は、沙織から増岡を殺した、あるいは重症を負わせたと連絡を受け増岡のマンションに出向きさまざまな偽装工作をしていた。そんなとき、瀕死状態だった増岡が意識を取り戻した。それを見た由貴は、とどめとばかりに表彰盾で増岡の頭を殴打し殺害。その後、死亡推定時刻をごまかすために温水を入れたペットボトルで遺体を温めたり、汗や唾液などの痕跡を消すために酵素入りの漂白剤を遺体に撒いたりした。ただ、時間差で2度撒いたために、血痕と混じり合った漂白剤の濃度の違いが発生し、そのことで古い血と新しい血があったことがわかってしまった、などと話す。
そして、由貴の犯行の動機を、自分が軽んじられたからだろうと分析。由貴は、増岡の部屋にあった奈津子との2ショット写真が撮られた場所が、自分がかつて増岡とデートをしたのと同じ場所だったことに気づいた。それを見て、自分とのデートは奈津子の下見だったのか、と激昂したのだろうと言うのだ。
そこまで聞いても、それは状況証拠に過ぎないと強気を崩さない由貴。絵里子はそんな由貴に、奈津子のスポーツクラブのロッカーから出てきたと言って、増岡の日記帳を見せる。それこそが確たる証拠だと興奮気味に言う由貴に、日記が発見されたのは実は絵里子自身のスポーツクラブのロッカーからだったと告げる。唖然とする由貴に絵里子は、自分と奈津子は同じ系列のクラブだが、絵里子は豊洲店、奈津子は南砂店に通っていたと明かす。ただし、由貴に話した際、同じ豊洲店だと言ってしまったのだ、とも。絵里子は、自分のロッカーの名前の上にシールを貼り、奈津子のロッカーを装った。すると、そこに増岡の日記が入れられた、というのだ。スポーツクラブのことは、由貴以外誰にも言っていなかったのに……と絵里子は由貴の表情をうかがう。
観念した由貴は、ついに犯行を認める。沙織から連絡を受けた日、増岡の部屋で日記を見つけた由貴は、そこにほかの女性のことは書かれているのに、自分のことがまったく書かれていないのが許せなかったのだ、と動機を語った。
その日の夜、絵里子は恋人の池上浩（丸山智己）と飲んでいた。絵里子に語りかける浩に対し絵里子は何を思うのか、どこか上の空で…。
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