大唐天宝年间，长安城接连发生少女离奇遇害案，受害者的皮肤被凶手剥去做成人皮皮影，众人传言是狼妖所为，武侯杜环等人虽经多日调查，却毫无进展。

  一夜，杜环巡街，偶遇女子被黑衣人挟持，便与黑衣人打斗起来。打斗中杜环中了暗器，被黑衣人带着少女逃脱，杜环却追错了方向，错将身形相似的路人抓捕。

  与此同时，刺杀南虎帮镖师的西域女刺客米莉亚苏不敌众人，受伤后被南虎帮追杀，不慎从屋檐掉落，头部着地失去知觉，被杜环发现，杜环只能将昏迷的米莉亚苏带回家中。

第二日清晨，米莉亚苏从睡梦中醒来，对自己的身世和姓名毫无记忆。杜环告知前夜之事，米莉亚苏心生感激。

  杜环的好友武侯姚驰却来告知杜环，昨夜抓错之人是官宦之子，因此他被金吾卫下令停职，并且昨夜被掳走的少女已经遇害，杜环认为是自己的失误导致了无辜少女的死亡，遂对上司严探义立下军令状，誓要三日内破案，同时，新月茶楼发现新的“人皮皮影”。

  杜环带着米莉亚苏查看遇害少女的尸体，并发现装新皮影的布袋有苏合香的味道，判断凶手可能与西域有关。米莉亚苏用西域语言与西域人交流后得知月盛楼是西域人最多的地方，两人前往月盛楼寻找线索，米莉亚苏无意间发现一间紧锁的房间，感觉非常熟悉，同时闻见后院有一丝苏合香的味道。

  米莉亚苏因旧伤在家中休息，杜环独自去月盛楼查找线索，结果发现黑衣人的踪迹，并且自缢在残害三位少女的密室，杜环检查黑衣人的尸体后，发现黑衣人的死因疑点重重，怀疑死者只是替罪羊，急于向上级邀功请赏的严探义要求杜环不要节外生枝，立刻结案。没多久就有新案发生，金吾卫张贵离奇死亡。通过现场勘查发现张贵的死状极其诡异，杜环首先怀疑最近与张贵往来频繁的布行掌柜薛远和米商胡文昌。米莉亚苏夜探张贵和胡文昌的家，在张贵家发现百两白银和十几斤精盐，发现胡文昌可能私贩食盐，杜环将胡文昌带回审讯得知得知张贵遇害当晚与胡文昌在月盛楼相约收取贿银，但是胡文昌没有作案时间。

  此时米莉亚苏发现薛远布行的一把剪刀可能沾有血迹，杜环审讯后得知薛远当晚用剪刀刺伤张贵但否认杀死他，他声称自己只是为母报仇。

  杜环和米莉亚苏继续调查，发现张贵被下了乌头之毒的慢性毒药，在薛远将张贵刺伤时，张贵同时毒发失去战斗力，薛远离开后张贵被真正的凶手杀害，严探义认为杜环钻牛角尖并催促将薛远屈打成招尽快结案。

  第二日又有新的凶杀案发生，主管“过所”的司户参军许崇望被残忍杀害，在案发现场却发现了杜环的令牌，杜环因此被拘捕。

  米莉亚苏在杜环入狱期间，独自前往许崇望家调查，发现许崇望夫妇极不孝，而夫妻二人却过着锦衣玉食的生活，与他的收入不符。

  杜环被无罪释放后前往许崇望家中，发现许崇望利用职务之便制作的假的西域诸国的“过所”，也有不符合收入的大量白银。

  正在众人一筹莫展之际，工匠马班被杀，米莉亚苏和杜环发现，马班和许崇望都是死于失血过多，但是发现二人尸体的地方都没有大量血迹，二人断定许崇望和马班都是在别处被杀后分别运至陈尸现场。

  经过调查发现马班死前也去过月盛楼吃酒，且马班的妻子宁氏和两个女儿身上都有被殴打后留下的伤痕。宁氏对丈夫的死反应异常，表现地不仅不伤心，反而有些释然，很明显是一起妻子弑夫的普通案件。

  杜环和米莉亚苏在返回杜府途中，遭遇了南虎帮的截击，米莉亚苏在打斗中头部受伤陷入昏迷。当她醒来时，记忆恢复了，她想起自己和哥哥伊力都是来自西域的刺客，两人受月盛楼掌柜赫拉迪的安排来到长安。她知道了被杜环追查的“皮影凶手”正是亲哥哥伊力，而逼死他的正是她最信赖的杜环，米莉亚苏陷入了深深的痛苦和矛盾之中。

  她离开杜环，回到月盛楼，却被赫拉迪责备，被关入密室。她在密室中发现了一些与案件有关的物品，黑衣、面具和剥皮刀，还有一张塔楼的图纸，这些发现让她怀疑案件与月盛楼有关。

  与此同时，杜环和姚驰也在复盘案情，他们发现被杀的人除了去过月盛楼外，还都与宝寿寺庆典有关。马班是宝寿寺的设计者，这进一步加深了他们对月盛楼的怀疑，同时意识到刚回到月盛楼的米莉亚苏可能会有危险。

  杜环和姚驰前往月盛楼寻找米莉亚苏，却在后院发现了大量血迹，怀疑这是杀人现场。经过一番搜索，他们找到了米莉亚苏，并与赫拉迪和克哈展开了激烈的战斗。最终，杜环成功救出了米莉亚苏，三人逃回武侯铺汇集线索，分析出张贵等人的死亡与赫拉迪有关，伊力也很有可能是赫拉迪的替罪羊。杜环前往南虎帮调查米莉亚苏要杀的镖师，与南虎帮解除了误会，并且猜出赫拉迪派米莉亚苏刺杀镖师的真实目的，同时分析出赫拉迪运送的是硝石，结合张贵等三人的案件，他们终于揭开了案件的真相：赫拉迪通过收买张贵、许崇望，将硝石运进长安城，安排西域狼卫用假过所进入长安城，从马班那里买来宝寿寺图纸，试图在宝寿寺举行庆典时炸死皇帝和高官。

  众人通过努力找到赫拉迪藏匿的炸药，成功将赫拉迪的阴谋击碎，赫拉迪承认杀害张贵等人与制作人皮皮影的目的。在抓捕赫拉迪时米莉亚苏为了保护杜环替他挡住了赫拉迪射出的箭而死亡。赫拉迪被处以极刑，而杜环加入了大唐安西军，前往西域守护长安的荣耀。