アメリカ国防情報局に３年間留学した犯罪心理分析のプロ・梶原圭子（片平なぎさ）は、警視庁に設置されたばかりの捜査支援課犯罪心理分析室に主任として着任する。圭子は着任早々、警視庁捜査一課の湯島恭太郎（内藤剛志）から協力を求められる。公園で身元不明の男性の刺殺体が発見され、身元を特定するため似顔絵を公開したところ、２人の女性が自分の婚約者だと名乗りをあげた。そこでどちらかが嘘をついていないか見極めて欲しいというのだ。 名乗り出たのは、与党の大物議員・緒方新之助（佐々木勝彦）の娘・緒方涼子（友倉由美子）と、大手外食チェーンの社長の娘・中里忍（久保田磨希）だった。事情聴取時の映像を見た圭子は、２人の表情から、２人とも嘘はついていないと判断する。人間は嘘をつくと、必ずその表情に左右非対称、上下不整合といった不自然さが生まれるが、２人の表情にはそれが見られなかったのだ。 ところが、事情聴取の後、緒方涼子を偶然見かけた圭子は、涼子を迎えに来ていた新之助の秘書・滝山隆介（神尾佑）に、一瞬「憎しみ」の感情が浮かんだのを目撃してしまう。それは0.25秒以下というほんの一瞬だけ現れる「微表情」というものだった。気になった圭子は、そばにいた刑事の小山田（水橋研二）に、滝山を調べるよう頼む。 その後、被害者がジュエリーショップのオーナー堀口小百合（芳本美代子）の借りた部屋に住んでいたことが判明し、圭子と湯島は小百合を訪ねる。小百合は、殺害された男性は結婚詐欺師で、自分もお金を騙し取られていたとして、事件への関与を否定する。その時の小百合の表情や挙動から、小百合は嘘をついていないと圭子は判断する。だがそれと同時に、報道未発表である被害者の手の傷のことを、なぜか小百合がすでに知っていることにも気づく。しかし結局、小百合にはジュエリーデザイナーの常盤由紀子（吉田羊）と打ち合わせをしていたというアリバイがあることがわかり、捜査は振り出しに戻ってしまう。 ところがその直後、圭子はひょんなことから、被害者を知っているらしい女性・高島仁美（高橋由美子）と出会う。被害者のことなど知らないと嘘をつく仁美の態度を不審に思った圭子は、仁美の後を尾行。すると、なぜか緒方新之助の秘書の滝山も彼女を見張っているらしいことに気づく。そしてその直後、何者かによって仁美が歩道橋から突き落とされ…。