最初は、2005年５月30日に千山地区で行われたイベントで児童を含めた8人が殺された「千山こども交流会殺傷事件」と日にちや地区や被害者数が一致していたため模倣犯かと騒がれたものの、以降は被害が動物であることや犯行地域がバラバラであることから捜査が手薄になっていた。長嶋秀夫（北大路欣也）は再捜査を引き受け、泉に担当にした。
初めて事件を任されることになった泉は張り切って捜査を始めるが、物証が少なく捜査は難航。最後に事件が起こった小学校へ聞き込みにやってきた泉と塚本圭吾（宮迫博之）は、第一発見者や飼育をしていた子供たちが大きなショックを受けて泣きじゃくる姿を見て改めて事件解決を誓う。
その帰り道、塚本は千山事件の現場に向かった。塚本は機動捜査隊にいた頃に事件に携わっており、壮絶な有様を目の当たりにしたことを泉に告げる。慰霊碑に花を手向け、帰ろうとする泉と塚本の前に1人の少女（福田麻由子）が現れた。少女は「宮田ユキ」と名乗り、現行犯で逮捕されたはずの千山事件の犯人はまだ捕まっていないからちゃんと調べて欲しいと訴える。
泉らの聞きこみで、事件現場周辺では“長い髪で赤い髪飾りをした少女”が目撃されていることがわかる。また、泉の名前を語って小学生に聞き込みをしていた村山からも、子供たちの間で“赤い髪飾りの女”が都市伝説のようになっていることを聞く。しかし、現場に残されていた靴跡を、科捜研で調べた結果はすべて男物であることが判明していた。
一方、「宮田ユキ」が千山事件の被害者の1人であることを調べた塚本は、千山事件を担当した刑事に当時の様子を聞きに行く。そのことが倉田工（杉本哲太）の耳に入り、怒られるも、千山事件と動物殺傷事件がつながっている可能性を訴える塚本。4係の援護もあり、動物殺傷事件捜査の一環として少女の正体や千山事件関係者の捜査の許可が出る。
少女の似顔絵を作り、聞き込みに回る泉。深沢ユウキ（丸山智己）と白石晋太郎（中原丈雄）は学校飼育動物推奨会に行き、飼育動物がいる学校のリストを入手。塚本と高峰は宮田ユキの家に行き、写真をみつける。その写真にはユキと赤い髪飾りを手に持った女の子が写っていた。そして、科捜研の竹林匠（木村了）は動物虐待の裏サイトで数字が羅列した奇妙な書き込みを発見していた。
聞き込みの途中、慰霊碑で会った少女を見かけた泉は尾行をするがあっけなく見破られる。泉が宮田ユキの友達かと尋ねると、少女は「私が殺した」と言い去っていく。4係へ帰った泉は、倉田に途中で見失ったとウソの報告をする。
そんな中、少女の正体が判明。名前は沢井春菜で、宮田ユキのクラスメートであり、最初の動物殺傷事件が起きた中学校で飼育当番をしていて第一発見者でもあったことがわかった。春菜は家に帰っておらず、泉と塚本は母親からの連絡を待ち4係で待機する。泉は塚本に春菜に尾行がバレたことを告げるが、そこに竹林から数字の羅列が解読できたと連絡が入る。
今晩、また事件が発生するかもしれないという竹林の助言に従い、指定された学校に向かう2人。裏門に回った塚本は、赤い髪飾りをつけた春菜と遭遇。とっさに手をつかむが、春菜が持っていたナイフが塚本の腕をかすめ、腕を離した隙に春菜は逃げてしまい…。
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