清朝末年，數九隆冬的一天，遼東海州城的知縣趙桐正在處理公務，鎖匠林順帶著女兒來報案，說妻子張氏在家中被殺。趙桐立刻帶著差役及仵作趕到案發現場。
趙桐進屋一看，倒在血泊中的死者臉部血肉模糊，無法辨認相貌。仵作初步屍檢後說，死者是被兇手用利器將面部打爛致死。趙桐見狀，詢問張氏是否得罪過什麼人。林順的女兒說張氏曾被一個叫劉保的無賴調戲，並在眾目睽睽下痛罵過劉保。趙桐馬上派人傳訊劉保，誰知劉保已逃跑。趙桐一面貼出緝拿告示，一面命人將張氏的屍首運到縣衙暫時保管。
兩天後，劉保被抓，交代了殺人經過：他早就垂涎張氏的美貌，便趁林順父女出門之際，潛入林家，強迫張氏與他同寢。張氏寧死不從，他惱羞成怒，隨手抄起桌上的一把鐵鎖狠命向張氏面部打去。張氏倒地昏迷之際，他忽聽街上傳來腳步聲，就匆忙從院牆跳出逃走了。後來，他聽說張氏身亡，遂慌忙出逃。
見劉保已招認，趙桐命人將他押入死牢。這時，林順懇求將張氏屍體帶回家中安葬。趙桐沉吟片刻，再次問明張氏年齡是38歲後，讓林順父女先回家，隨時聽候縣衙傳喚。打發走林順父女後，手下稟告說從省府請的女仵作已經到了。當得知死者年齡不超過20歲，而且是處女之身時，趙桐淡淡一笑，說：“看來這樁案子果然戲中有戲。”
其實，趙桐初次見到死者時，觀察其皮膚、身材等就覺得與年齡不符，便向省府遞上文書，請求派來經驗豐富的女仵作。為了弄清死者的真正身份，趙桐又把林順父女傳來，出示驗屍結果後，父女倆面面相覷。當把他們領到屍首前進行仔細辨認時，林順的女兒驚叫道：“這果然不是我娘，我孃的肩背處有兩道胎記，這個人沒有。”趙桐第二次提審劉保，並把女仵作驗屍結果告訴他，劉保登時瞠目結舌。趙桐根據多年經驗，見劉保不像是在說謊，就再度將他押入牢中。但這到底是怎麼回事呢？
回到書房，趙桐左思右想，怎麼也解不開其中頭緒。就在一籌莫展之際，有差役報告，在城郊沙河石橋下發現一具女屍。趙桐派仵作驗屍後，確認死者是一名約三十七八歲的中年女人，肩背處有兩道胎記，臉部同樣遭受利器打擊而模糊一片。除此之外，這個女人脖頸上還纏繞著一根刻有“徐記”二字的皮帶，根據咽喉部的瘀傷，可以推斷是被人用皮帶勒死的。趙桐再次找來林順父女進行辨認，他們驗看後說這才是張氏。現在唯一的線索就是那根皮帶了，趙桐讓手下押著劉保親自去“徐記”皮貨商行調查。
趙桐拿出皮帶讓徐記商行的夥計們辨認，他們一致表示此皮帶確是本店出售的東西。當把劉保帶到眾人面前時，一個夥計馬上認出，說此人在半月前買走過這根皮帶，還翻出賬簿讓趙桐查看。儘管人證物證俱在，可劉保拒不承認用皮帶勒死了張氏。當問他這根皮帶為何出現在張氏脖頸上時，劉保惶惑地搖頭，說自己雖買過皮帶，但還未來得及使用就莫名地不見了。見劉保不承認，趙桐決定先搞清年輕女子屍首的身份，於是在全城貼出告示，要求近期有失蹤年輕女性的家屬前來縣衙認領屍體。
三天後，財主史員外趕到縣衙，說女兒已失蹤多日。等他查看了女孩屍首身體特徵後，確認就是他的女兒綵鳳，還說綵鳳十天前去姑媽家探親一直未歸。趙桐問綵鳳是否得罪過什麼人，史員外說沒有。趙桐又問史員外有沒有仇家，史員外說一個月前，家裡的長工阿財工期已滿，按說要發給他一筆工錢，但自己不願給，就指使小妾勾引阿財，然後以捉姦為名扣掉阿財所有工錢後將其趕出了府。聽了史員外的敘述，趙桐趕緊吩咐差役把阿財帶來。可無論怎樣盤問，阿財都說不知道綵鳳失蹤及被殺之事。趙桐正愁眉不展，忽然想到了什麼，把史員外帶到綵鳳屍首前，讓他看綵鳳身上是否丟過值錢的東西。史員外說綵鳳離家時戴著的一對龍鳳金手鐲不見了。
按照趙桐指派，差役們很快從阿財家搜出一隻龍形金手鐲。經史員外辨認，正是綵鳳的，但鳳形的不知落到何處。阿財說這手鐲是他在路上撿的，至於鳳形的根本沒見過。為了確認阿財是否屬於為謀取金手鐲而害人性命，趙桐來到城內最大的首飾店驗手鐲真偽。首飾店老闆檢驗後，不僅告訴趙桐這隻龍形手鐲是真品，還說幾天前，鎖匠林順曾拿著與其匹配的鳳形手鐲也來檢驗真偽。趙桐遂叫來林順問話，可林順也說自己的鳳形手鐲是路上撿的。但從他躲閃的眼神來看，趙桐推測他與阿財都在撒謊。由於史員外認定是阿財與林順作案分贓，趙桐便以此為藉口將兩人暫時收監羈押。
這天晚上，林順在監房見到獄卒中有同鄉李四，便趁機塞給李四一大錠銀子，希望李四能照顧他。李四接過銀子後立時眉開眼笑，為林順買來美酒好肉，並神秘兮兮地告訴他綵鳳的屍首不見了，趙桐正為此事發愁。還說綵鳳的陰魂這幾日總在縣衙內外遊蕩，讓他一定要小心。李四走後，監房只剩下林順一人。就在他昏昏沉沉剛要入睡之際，忽聽外面颳起一陣怪風，風中隱約傳來女子悽慘的哭聲。林順猛然睜開眼睛，只見一個滿臉血肉模糊的女子出現在牆上。林順驚恐至極，連忙跪下說：“綵鳳姑娘，你應該找阿財算賬，是他殺了你並奪走了手鐲，我只是向他勒索來一隻……”就在這時，門被打開了，趙桐等一群人走進來。林順再仔細一看，牆上的“女鬼”正在被人用繩子沿著房梁向上拉，原來是一幅逼真的畫像。林順情知上當，絕望地癱坐於地，交代了全部罪行。
原來，阿財被逼放棄工錢後，一直憤恨難平。這天，他發現綵鳳一人去姑媽家，就趁機將其哄騙到家裡，打算把她鎖起來向史員外敲詐一筆。不料在爭執中阿財遭到綵鳳痛斥，他一氣之下用鐵鎖猛擊綵鳳面部，並搶下龍鳳手鐲。此時，恰逢林順來討債，目睹了整個殺人過程。林順以此為要挾，迫使阿財分他一隻鳳形手鐲，並許諾幫阿財處理屍首，但要求阿財去劉保家偷一條刻有“徐記”字樣的皮帶。阿財沒辦法，只得聽從。
林順之所以要阿財偷劉保的皮帶，是因為不久前，他注意到劉保曾去“徐記”商行買了一條皮帶。而劉保曾調戲過張氏。但林順之所以沒報官，是因為他有著另一樁陰謀。張氏患有一種無法治癒的疾病，每月要靠名貴的人參滋補調養。時間一長，林順再也填不起這個無底洞，遂產生了除掉妻子的惡念。剛好阿財殺人被他撞見，於是他想出了個一箭雙鵰的主意。
林順在那晚支走女兒，又佯裝要去外地出差。貪淫好色的劉保果然上當，遂潛入林家對張氏欲行不軌。當聽到張氏慘叫幾聲後沒了動靜，林順斷定時機已成熟，就用腳步聲驚走劉保，接著進屋用劉保的皮帶勒死了昏迷中的張氏。而後，林順和阿財偷換了屍體。如果官府沒能發現屍體被偷換，那麼劉保必死無疑，他也可以利用為妻子出殯之名將綵鳳屍體火化，替阿財掩蓋罪證。倘若官府發現屍體被偷換，那麼根據“徐記”皮帶，他也能置劉保於死地。
林順自認為一切做得天衣無縫，但還是露了馬腳。自從那對龍鳳手鐲被找出後，趙桐發現他們二人神色慌張，料定必有不可告人的秘密。於是派劉四假意接近，用酒將林順灌醉並散佈綵鳳陰魂作祟的謠言。而後趙桐從雜技班裡僱人在房樑上用細繩牽扯綵鳳的“鬼魂”畫像，使林順上當就範。至此，轟動一時的雙屍奇案終於真相大白。
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