隆慶六年（1572年）的一天晚上，玉縣富商杜儒聲的第四房夫人柳煙正要入寢時，杜儒聲的貼身書僮阿旺說杜儒聲棋癮犯了，要找她下棋。到杜儒聲的書房後，柳煙開始和杜儒聲下棋，阿旺則回偏房休息去了。一盞茶工夫，杜儒聲敗下陣來。柳煙問該如何處置，杜儒聲說還是老規矩，輸了就砍頭。
原來，杜儒聲和柳煙下棋時喜歡玩砍頭遊戲：用毛筆蘸水在脖子上劃一下就算砍頭。於是，柳煙拿來毛筆，在杜儒聲的脖頸上劃了一下。然而，詭異的事情發生了，杜儒聲的腦袋竟掉落下來。柳煙一聲慘叫，當即暈了過去。
玉縣知縣王天望接到報案，連夜帶了十幾個衙役、捕快趕到杜宅。他仔細端詳杜儒聲頭顱和脖子上的斷口，見斷口平滑、完整，於是判斷是利器所傷。他向甦醒了的柳煙詢問案發經過，柳煙顫聲把事情的經過說了一遍。王天望聽完，十分疑惑，杜儒聲的傷口明明是利刃所砍，毛筆怎麼能殺人？可柳煙堅稱書房裡只有自己和杜儒聲。
王天望詢問阿旺，阿旺說初更時杜儒聲的弟弟杜儒林到訪，杜儒聲在書房招待他。二更後，杜儒林喝醉了酒，他把杜儒林攙扶回房休息，然後折回書房，這時杜儒聲仍無睡意，吩咐他去請四夫人來下棋。四夫人到後，他就睡覺去了。直到後來聽見慘叫聲，他才匆匆趕到現場。
待眾人離去，王天望陷入了沉思。柳煙是看著杜儒聲死的，她的嫌疑最大。可一個弱女子怎有力氣把人的腦袋如此乾淨利索地砍下來？呆立片刻，王天望命人掌燈，然後趴在地上再次查看現場。突然，他嘴角露出了一絲笑意，並用手指在地面捻起一段草莖。這草莖長僅一寸，兩端斷口光滑平整，分明被利器切過。王天望忙帶人來到馬廄，在馬槽下找到一把帶血的鍘刀，還有一件血衣。
血衣是杜家養馬人何正的衣服，他奇醜無比，卻養得一手好馬，三年前被杜儒聲招攬回家。調查後，王天望發現何正是化名，此人真名叫鄭重陽，是柳煙未嫁前的情郎。兩人青梅竹馬，可柳煙16歲那年，她父親突染重病，杜儒聲答應出錢救治，但條件是讓柳煙做他的小妾。為了救父，柳煙嫁入杜家。鄭重陽忘不了柳煙，於是自毀容貌，進入杜府。
擇日，王天望升堂審理此案。鄭重陽、柳煙大呼冤枉，但王天望認為鐵證如山，命大刑伺候。嚴刑之下，鄭重陽和柳煙雙雙在認罪書上畫了押。於是，王天望判決：鄭重陽和柳煙通姦，合謀殺死了杜儒聲，處死刑。
同年六月，新皇登基，舉國慶賀，死刑一律暫緩一年。第二年，王天望因破案有功，被調往外地，由呂長亭接任玉縣知縣。到任後，呂長亭遍閱案卷，看到杜儒聲遇害案後，心下起疑：若是鄭重陽和柳煙合謀殺死了杜儒聲，柳煙何必大聲喊叫，引來他人？柳煙想掩飾的話，隨便找個理由都比毛筆殺人更讓人信服，為什麼她卻偏偏選這個理由？
呂長亭當即決定夜審鄭重陽和柳煙。據柳煙說，杜儒聲對她一直疼愛有加，所以盡避她知道鄭重陽進到杜宅，也一直嚴守禮教。杜儒聲的腦袋的確是她無意用毛筆劃掉的，當時書房內只有她和杜儒聲，絕無外人進來。這下，輪到呂長亭糊塗了。
兩天後，呂長亭造訪杜府。此時，杜家的家業已全部交給杜儒林打理。簡單寒暄後，呂長亭提出想見阿旺。杜儒林說阿旺去年回家省親途中被土匪綁架了，音信全無，不知生死。
回到縣衙，呂長亭再次陷入困境，杜儒聲是怎樣被殺的呢？杜儒林回房時杜儒聲好端端的，按理杜儒林不可能是兇手；阿旺請柳煙過來後，並沒有進去伺候，阿旺也不可能是兇手。如果柳煙是被冤枉的，那兇手是誰？藏身何處？呂長亭想得頭痛欲裂，突然聽到窗外傳來一陣鑼鼓聲，一問才得知，一年一度的城隍廟會開始了。他換過衣服，決定去逛逛廟會。
城隍廟人頭攢動，熱鬧非凡，戲台前很多人在看《三打祝家莊》：祝家大公子祝龍被李逵從床底下揪了出來，李逵大喝一聲，板斧一揮，祝龍的腦袋頓時飛了出去。猛然間，呂長亭一拍腦袋，喃喃自語：“怪不得……原來如此。”
幾日後，呂長亭重新審理杜儒聲一案，還把審案的地點安排在了城隍廟前的戲台上。同時，他還請來了縣上幾個德高望重的長者過來陪審，杜儒林也在其中。
一切就緒後，呂長亭開門見山道：“鄭重陽不是真兇，因為杜儒聲被殺那晚，他壓根就沒出過馬廄。”言畢，杜府的僕人馬六上台作證，他說鄭重陽被招至杜府後，沒幾天就馴服了幾匹異域烈馬。後來有人說鄭重陽有本家傳養馬秘籍，於是他動了偷書的心思。就在杜儒聲被殺那晚，他一直在鄭重陽屋外潛伏，但鄭重陽一直不離開房間，他只得作罷。離開時，他還在門口撒了一地釘子。抓捕鄭重陽的捕快也證實，鄭重陽的腳沒事，倒是他們被釘子扎破了腳。
陪審的一位長者問：“既然如此，那真兇是誰？”呂長亭一拍手，一個戲班子從戲台後魚貫而出，《三打祝家莊》再次上演；李逵板斧一揮，祝龍腦袋落地，可沒頭的祝龍伸手一摸，找到掉在地上的腦袋，提起來往脖子上一放一擰，居然又站了起來。這時，扮演祝龍的武生把衣領往下一拉，原來他的腦袋縮在衣領裡，衣領上裝了個套筒，掉在地上的假人頭剛好可以套進套筒，一按機關就能掉落。
很快，好戲再次開演，可畫面卻完全變了：一男子端坐椅上，一女子手握毛筆，劃過男子脖頸，隨即一個腦袋掉落在地。女子驚昏過去，無頭屍體卻頂破套筒，長出新頭，站起身從床下拖出個昏迷了的、和自己十分相像的人來，然後拿過鍘刀，作勢砍在昏迷的人的脖頸上。戲演到這裡結束了，看戲的人們心裡一片雪亮：床下那人是杜儒聲，被毛筆劃掉腦袋的男子就是兇手—杜儒林。
接著，呂長亭長歎一聲，說：“三年前，有人找到戲班子，重金求學絕技砍頭戲和口技。如果我所料不差，杜儒林那晚到訪，用藥把杜儒聲放倒，拖到床下，然後假裝醉酒，讓阿旺攙扶回房，製造不在現場的假象，再趁夜回到書房，假扮杜儒聲和柳煙下棋，用砍頭戲嚇昏柳煙，最後砍了杜儒聲的腦袋，嫁禍給鄭重陽。”
杜儒林聽後，雖然臉色慘白，但仍拚命反駁，這時，戲台上出現一個人，杜儒林見之如見鬼魅，道：“阿旺，你……沒死？”然後一聲哀歎，說呂長亭說得對，阿旺是他買通的幫兇，也是他派人殺人滅口的。
之後，衙役給杜儒林戴上枷鎖。這時阿旺突然撲通一聲跪倒在呂長亭面前，流淚道：“多謝大人為在下報了殺兄大仇……”杜儒林吃了一驚，問：“你不是阿旺？”呂長亭呵呵一笑，說：“阿旺走失多時，我早猜到被你殺人滅口，所以效仿你的法子，也演了出戲。這是阿旺的孿生兄弟阿貴……”
杜儒林被收押後，呂長亭看了下鄭重陽和柳煙，心情瞬間沉重了起來—他們因當初被嚴刑逼供，手足殘廢，後半生注定淒涼。