FBIのラリー井上なる人物に伴われアタルという一人の青年が来日した日、化学工場「淀橋化学」で大規模な爆発が発生。一人の従業員が死亡する。事件は事故として処理されるが、警視庁沢班の女刑事・蛯名 舞子は決定に納得できず、辞職覚悟で独自に捜査を開始、検証のため現場へと赴く。そこで舞子は自らを「チョコザイ」と名乗るアタルと遭遇。チョコザイは「TTD45u30」「一つ台湾」という謎めいた言葉とレの音のハミングを発する。沢と共にその言葉に基づいて捜査を開始した舞子の行く手に、通常の捜査では分からなかった事実が明らかになっていく。
舞子のアパートで暮らすことになったチョコザイ（アタル）。ある朝チョコザイは「花がありません」と言い出し、マンションから表へ出る。沢、舞子と入った花屋で突如、早乙女という男性が倒れ、「青いバラ」という言葉を残して死亡する。事件は所轄によって病死と判断されるが、チョコザイは写真の早乙女を見て「これは違います」と言い、花屋で「ガストリックベイルチ」という言葉を残す。担当医の話から、舞子は早乙女の死が中毒死の可能性があると主張し、解剖されるが毒物は検出されなかった。しかしチョコザイの発した言葉の意味と彼が新たに提示した「狐の手袋」から舞子はある毒の存在に行きつく。
身元不明のチョコザイを生活安全課で保護することに伴い、検査を受けさせるためチョコザイを病院に連れて行く沢と舞子。そこで舞子はチョコザイが発達障害であることを知り、療育を受けていた施設を調査すればアタルの素性が分かるかもしれないと担当医が説明する。そんな中、広告代理店社長の弓削勝則の水死体が有明港で発見される。夜釣りの最中に崖から転落した事故死と判断されるが、舞子は独自に捜査を開始、被害者が浮気をしていたことを突き止める。さらに遺体の写真を見たチョコザイの「fracture」「落ちたのどっち?」との発言から遺体の不可解な状況が判明、殺人の可能性が浮上する。やがて突如被害者の会社にやってきたチョコザイの「ブラックメロン ジュエルネイル」の一言から、勝則の浮気相手と思しき人物の存在が浮かび上がる。
チョコザイを入院先に連れて行った舞子が去った後、チョコザイはラリーに連れ戻されてしまう。そんな中、小型飛行機が樹木に衝突し、パイロットの橋田が死亡する事件が発生。警察無線やテレビを通じて事件を知ったチョコザイはラリーの制止を聞かず、事件捜査に関わる。橋田がシートベルトをしていないことや前日までにフライトの許可を得ていなかったことなどから運輸安全委員会調査官は事故か自殺だと断定する。舞子はチョコザイの「a mortal wound ヘッドセット」の言葉を足掛かりに事件は捨て山じゃないと確信し、捜査を開始。しかし民間の事故鑑定士の公原も事件は自殺の可能性が高いと指摘、殺人を立証する決め手がなかなか見つけられずにいた。
昇は自身が通う帝都医科大学で精神科教授の植松が転落死する現場に遭遇する。その際、昇は階段から左側を通った白い影を目撃するが、昇と共に現場に居合わせた精神科助手の浅尾は植松以外に誰も見ていないと話し、証言に食い違いが生じてしまう。テレビで事件を知ったチョコザイは病院を抜け出し帝都医科大学に現れ「ブレイン ハルシネーション（脳 幻覚）」と昇が幻覚を見たのではないかと疑ってしまう言葉を発する。その後の捜査で植松の周辺で怨恨の線が浮上するも事件は捨て山として結論付けられ、昇も証言に自信を無くしてしまう。そんな中、チョコザイは「ご飯食べなかった」「真ん中はどこ?」の言葉をしきりに訴えてくる。
沢は身元引受人を承諾し、チョコザイと同居を始める。沢にアメリカ大使館からの違法無線の捜査を依頼していた犬飼は、その捜査に圧力が掛かったことを知ると独自に捜査を開始する。そんな中、植哲ハイツの住人・長岡が浴室内で手首を切り、死亡した事件が発生。一方、チョコザイを連れた舞子は横断歩道でうずくまる女性・咲絵を介抱する。誰にも理解されない苦しみを抱えていた彼女の身の上話を聞きながら送り届けた先は事件現場となったアパートだった。事件は自殺として結論付けられたが、部屋に残された血のついた足跡の写真を見たチョコザイが「右、左…」の言葉を呟いたことから、舞子らは第一発見者以外の存在がいた事を確信し、沢は長岡と揉めていた咲絵に疑惑の目を向ける。
チョコザイ、沢、舞子はコインランドリーでチョコザイの服を洗濯しているときに2発の銃声を聞く。建物の裏手にある交番へ急行すると、和田交番所長が死亡していた。沢は現場に駆けつける直前にかつての上司・福留の姿を目撃する。チョコザイの「muzzle twelve inch or more、muzzle one foot or more（銃の先端が30cm以上離れている）」の発言から自殺ではないと舞子らは確信する。しかし、硝煙反応などの痕跡や、拳銃の弾倉に残っていた弾丸の数から「発射された弾丸は一発だけ」という結果が出たため、事件は自殺として処理される。銃声が2発聞こえたという沢の報告を中津川は却下するが、それには事件を自殺として処理し、早急に終わらせようとする警察上層部の思惑が絡んでいた。
チョコザイの検査後、舞子の前にラリーが現れる。ラリーは舞子にチョコザイの素性、そして彼が参加しているFBI主導のプログラム「SPB」の存在を明かす。その頃、イトウトモハイムに住む男性・日村が自室で焼死する事件が発生。他の捜査員たちが自殺だと思っているなかで沢は解剖の指示を出すが、結局、他殺である所見は見つからなかった。日村が母親に彼女を紹介しようとしていた話を聞いた舞子は自殺の結論に疑問を抱く。チョコザイは遺体の写真を見て「目が真っ赤です」と発言する。そんな中、配達員の川久保が日村と揉めていたということが判明、彼の特異体質について知ることになる。チョコザイが伝えた「骸骨の赤いとこ」の発言から殺人の線が浮かび上がる。
アタルの両親が八王子に住んでいることが判明し、沢、舞子は両親の元にアタルを連れて行く。そんな中、近くの雑木林で朗（ほがら）という名前の幼児遺体が発見される。朗の体に火傷の痕や傷跡が残っていたことから事件性があると判断され司法解剖に回される。野崎もいつになく捨て山ではないと息巻く中、朗が3日前にアタルの父・誠から児童虐待の通報を受けていたことが判明、朗の母・今日子が虐待の末に息子を死に追いやった疑惑が浮上する。死因が毒物である可能性が分かり、アタルの「目が痛い」「シャンシーDA101」の言葉から、目の炎症、腕に付いた火傷の原因が判明し、さらにアタルの「その傷、知ってます」の発言をヒントに、遺体から毒物も検出された。そして事件の捜査やアタルの両親と関わる中で、アタルの過去も明らかになっていく。
アタルは八王子幼児遺体事件解決後、突如昏睡状態に陥る。そのような状況下で小暮桃香という女性が運転中に電柱へ衝突後、炎上し車内で死亡する事件が発生。事故死または自殺と思われていたが、桃香の車がかつて母・真理子が15年前に事故死したときと同じ車種だったことに引っ掛かりを覚えた舞子は事故鑑定人の公原と共に検証を開始、中津川に捜査を拒否された沢も独自に捜査を進める。その結果、事故である可能性が強まることになる。一方、アタルは眠りの中で耳にした舞子達の話から「ABSは時速10キロ以下だと働かない」と呟き、しばらく経って深い昏睡から目覚めた途端、「これじゃ燃えません」「Chloroform Bomb（クロロホルム 爆発）」の言葉を発する。その言葉を発端に桃香の死が他殺である可能性が浮上し、真実も明らかになるが、この事件が起因し、自殺として処理された真理子の死亡事故に新たな疑惑を掘り起こすことになる。
小暮桃香が死亡した事件と真理子の車輌自殺の関連性が浮かんだことで、沢はかつて機動捜査隊の新人時代に真理子が死亡した事故の初動捜査を担当していた過去を舞子に明かす。そんな中、チョコザイは沢、舞子の制止を聞かず「眼を開けていた」「居眠り運転」「ブレーキを踏まなかった」の言葉を話し、真理子の事件捜査を開始する。真理子の墓まで来たチョコザイは遺骨を取り出し「ここがありません」と呟き、右手中指の欠損を示唆する。その様子を見ていた達夫は突然自分が真理子を殺したと言い、その場から去ってしまう。達夫には真理子が自殺する原因に心当たりがあった。やがてチョコザイの残す言葉によって、事件の真相が明らかになったとき、舞子たち蛯名家が長年抱えていた想いが氷解していく。そしてチョコザイと舞子は自らの進む道を選択し、チョコザイ、沢、舞子の3人に別れの時が訪れる。