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　入学式の準備のため、「永遠の森学園」の東雲麻衣、椹木みこ（山田彩）、月代美波（佐倉絵麻）、萌黄泉（岡野真也）ら女生徒４人は、通常より早く寮を出てスクールバスに乗り込んだ。ところが学園へ向かう道中、運転手の新宮寺有朋（山中聡）がバスを急停車させる。路上で行き倒れている老人・蛇川方庵（小野栄一）を見つけたからだ。新宮寺は生徒４人を車内に残したまま、虹川を介抱するため外へ。すると、ちゃんとサイドブレーキを引いて停めたはずのバスが、坂道を下り始めた！ 新宮寺は慌てて追いかけるが、バスは霧の中へと消えてしまう…。

吊り上げられたスクールバスの中からは巨大な魚が見つかっただけで、遺体などは発見されなかった…。しかも、酷い錆で指紋等の検出も不可能な状態。広域捜査庁鑑識課のエース・坂善正道（田中哲司）が調べたところ、どうやらバスは何者かによって故意に沈められたようだ。さらに奇妙なことに、運転手の新宮寺有朋（山中聡）が引いたはずのサイドブレーキは解除してあった。

遺留品のカセットテープを再生すると、微かなノイズが入っていた。しかし、それが音なのか、何かのデータなのか…。正体までは判らない。そんな中、北島紗英（栗山千明）は永遠の森学園へ赴き、スクールバスの構造を調査。カセットテープが落ちていた後部座席が簡単に外れることを知る。その後、北島は星崎剣三（オダギリ ジョー）の指示に従って学園からスクールバスを借り、事件発生現場へ。拾坂修武（松重豊）を中心に当時の状況を再現し、ある条件がなければバスが消えることは不可能だと気付く。

星崎剣三（オダギリ ジョー）は永遠の森学園へ赴き、四十万新也（山崎賢人）に向かって東雲麻衣（三吉彩花）らになぜ裸をデッサンさせたのか訊く。星崎から追及された新也は担任の敷島澪（藤谷文子）にキスされたことを告白するが、デッサン画を燃やしたことについては隠し通す。

東雲麻衣（三吉彩花）が星崎剣三（オダギリ ジョー）を訪ね、南熱海警察署に駆け込んできた。スクールバス失踪直前の“ある記憶”を取り戻したという。その記憶が正しければ、行方不明中の椹木みこ（山田彩）、月代美波（佐倉絵麻）、萌黄泉（岡野真也）がバスと一緒に海へと沈んだ可能性は消える…。北島（栗山千明）が事件解決の糸口を必死に探る中、星崎は意外な方法で事件の本質につながる“犯人の無意識にあるキーワード”を掴み出そうとする。

新宮寺有朋（山中聡）の死体発見現場を見た星崎剣三（オダギリ ジョー）は事故死の可能性が高いとにらむが、北島紗英（栗山千明）は他殺だと主張。ひとまず司法解剖の結果を待つことになった。そんな中、星崎らは永遠の森学園の寮へ急行することに。寮長の阿久根淑子（宮田早苗）から、東雲麻衣（三吉彩花）の部屋が荒らされているとの通報があったからだ。寮に到着すると、四十万新也（山﨑賢人）が「椹木みこ（山田彩）の部屋にも泥棒が入ったことがある」と口にした。それはスクールバス失踪事件の約半年前、まだ生徒たちが旧寮に住んでいたころのことらしいが…。

星崎剣三（オダギリ ジョー）は一緒に暮らし始めた東雲麻衣（三吉彩花）を手厚くケアする。そんなある日、東雲を学園に送り届けた星崎は、いまだに新宮寺有朋（山中聡）の死が他殺だと信じる担任の敷島澪（藤谷文子）から「犯人を探して下さい」と頼まれる。

平坂歩（萩原聖人）との格闘で北島紗英（栗山千明）は命の危機にさらされるが、滑り込んできた星崎剣三（オダギリ ジョー）が平坂に発砲。平坂は撃たれたショックで意識不明となり、南熱海総合病院へ運ばれる。