東京都・西奥多摩市のとある家の庭には、刑事や鑑識がおり、掘られた穴の中に白骨化した遺体が発見された。遺体の身元は、36歳男性・星野孝之であると判明する。
宅間善人(草彅剛)のもとへ、人気俳優・藤村毅(神尾佑)が主演する映画『忘れがたき人』の完成披露試写会の当選チケットが届く。宅間は、「応募した覚えはないのに…」と言いつつ、姉小路千波(南果歩)と会場へ向かう。
監督・武田健吾(山崎大輔)と藤村によるの舞台挨拶が行われる。『忘れがたき人』は、フィルムを保管していた倉庫でボヤ騒ぎがあり、お蔵入りとなった映画だった。
試写が開始されるとすぐ、突然スクリーンの映像が消え、「執行の時がきた。敗者は死をもって罰せられる」という文字が浮かんだ。
さらに、「16，68，13」という3つの謎の数字が映され、その後、会場が明るくなる。その瞬間、観客の中の1人の男性が遺体で発見される。死者の座席の下には、時限式の毒ガス発生装置があった。
試写会の前、彼は咳き込んでいたことから、「毒ガスと同じ成分を襟元に掛けられたんじゃないかな。その毒ガスを吸い込んで、彼は亡くなったのかも」と宅間は推理する。
パニックに陥った観客たちは、一目散に出口の扉へと走るが、スクリーンに「扉を開ければ、たちまち死の雲に覆われ、全ての命が失われる」と表示される。扉には、毒ガス発生用のセンサーが取り付けられており、「開ければ毒ガスが放出されることになる」と宅間は言う。
会場には試写会中、通信抑止が行われており、内部からは解除できなかった。電話をかけることができず、観客たちは苛立ち、姉小路と宅間は落ち着かせる。
宅間は、「16，68，13」という文字の謎を解こうと試みる。「16，68，13」とそのままの数字を入力すると、装置の画面の「3」の字が「2」となった。このことから、解除キーの入力は、3回の猶予があるようだった。
藤村のマネジャー・山本美沙(広岡由里子)が、「この数ヶ月の間、藤村宛にスクリーンの文字と同じ文面の手紙が送られ続けていた」と明かす。藤村は、映画の上映を巡って、監督の武田とトラブルになっていたという。藤村は、上映に反対していたが、金銭的に困窮していた武田監督は、上映を強行して金儲けをしようとしていた。
そんな中、たまたま千波の携帯電話を届けに来た松原唯子(芦名星)は、施設内の男子トイレで、武田監督が殺害されているのを発見する。
唯子は、防犯カメラの映像で、会場内の異変に気づき、警備室のマイクで話しかける。「武田監督が死亡している」と、宅間は松原から伝えられる。だが、途中から音響システムがダウンし、声を送ることができなくなる。姉小路は、「このまま松原さんが入ってきたら、毒ガスが撒かれてしまう…」と入ってこないように訴えかける。
宅間と千波は、「会場内に犯人がいる」と確信していた。劇場型犯罪者である犯人は、パニックに陥る観客を間近で見たいという願望があるのではないか、と宅間は考えたのだった。宅間は、観客たちの身分証の提示と手荷物のチェックを行う。
一方、堀川耕平(平岡祐太)、我妻真里亜(夏菜)らも到着し、リストで閉じ込められた観客たちの身元を確認し始める。出席者リストの中には宅間の名前はなく、何者かが意図的に宅間をこの会場に来るように仕向けたのだと明らかになる。
宅間は、観客たちの騒動を喜びつつ見ていたスタッフが犯人ではないかと疑っていた。スタッフならば、センサーを取り付けることもでき、パニックになった観客が勝手に外へ出ることを防ぐことができた。
そのスタッフの手には、アザがあり、宅間にはそのアザに見覚えがあった。同じアザを持つ看守が、宅間の服役していた刑務所で働いていたのだった。
出席者リストの中には、偽名を使っている者はいなかった。スタッフの1人は、ボランティで参加していた人物・真壁秀介だった。宅間は、真壁に「看守だった真壁さんでしょ？」と話しかけ、真壁は認める。
真壁は5年前、服役者の1人にタバコを渡したことから脅されるようになった。だが、真壁を守ってくれた服役者の不正を宅間が暴いたため、後ろ盾を失った真壁は、再び脅されるようになった。そのことを逆恨みし、今回の事件を起こしたのだった。
真壁が今回のゲームで示した番号は、真壁を脅していた受刑者たちの受刑者番号であると宅間は気づく。他にも真壁をいびっていた受刑者の番号が、「53,95,8」であることから、これらの数字を序列順に並べ替えたものが解除キーではないか、と宅間は考え、入力する。だが、それは解答ではなかった。
宅間は、真壁が武田監督をトイレで殺害したことに疑問を持つ。「1つの犯罪に2つのルールがあるなんて、あり得ない」と思うが、そのことをきっかけに宅間は真相にたどり着く。宅間は必死にチラシを指さし、防犯カメラ越しに真里亜へチラシを見るよう伝える。
宅間は、解除キーが”I am a loser”であると分かり、入力する。「16，68，13」といった文字は、元素記号だったのだ。それを並べ替えることが、解除キーだったのだ。
真壁は逮捕される。真壁は、宅間に自分の勝ちであると勝ち誇るが、「君は脇役だから」と宅間は言う。影で糸を引いていたのは、藤村だった。藤村の座席下から、防毒マスクが発見される。
藤村は、白骨遺体で発見された男・星野孝之を殺害し、埋めた。星野は、『忘れがたき人』で共演した女性・月子のヒモだった。「恩人である月子を苦しめる星野が許せず、殺害して撮影現場付近に埋めた」と藤村は自供する。
自分の犯罪が明るみに出ることを恐れた藤村は、上映を阻止しようと、真壁を利用して騒動を起こしたのだった。また、武田監督も藤村の過去の罪に気づき、脅したために藤村は武田監督を殺害したのだった。
だが、映画を見直した宅間は、月子が右利きにも関わらず、右手を動かさないことに着目する。「月子は、星野を殺害した時に右手を怪我したのかも。藤村は、彼女の罪を隠し、自ら罪を被ったんじゃないかな」と考えていた。
