隆庆六年（1572年）的一天晚上，玉县富商杜儒声的第四房夫人柳烟正要入寝时，杜儒声的贴身书僮阿旺说杜儒声棋瘾犯了，要找她下棋。到杜儒声的书房后，柳烟开始和杜儒声下棋，阿旺则回偏房休息去了。一盏茶工夫，杜儒声败下阵来。柳烟问该如何处置，杜儒声说还是老规矩，输了就砍头。
原来，杜儒声和柳烟下棋时喜欢玩砍头游戏：用毛笔蘸水在脖子上划一下就算砍头。于是，柳烟拿来毛笔，在杜儒声的脖颈上划了一下。然而，诡异的事情发生了，杜儒声的脑袋竟掉落下来。柳烟一声惨叫，当即晕了过去。
玉县知县王天望接到报案，连夜带了十几个衙役、捕快赶到杜宅。他仔细端详杜儒声头颅和脖子上的断口，见断口平滑、完整，于是判断是利器所伤。他向苏醒了的柳烟询问案发经过，柳烟颤声把事情的经过说了一遍。王天望听完，十分疑惑，杜儒声的伤口明明是利刃所砍，毛笔怎么能杀人？可柳烟坚称书房里只有自己和杜儒声。
王天望询问阿旺，阿旺说初更时杜儒声的弟弟杜儒林到访，杜儒声在书房招待他。二更后，杜儒林喝醉了酒，他把杜儒林搀扶回房休息，然后折回书房，这时杜儒声仍无睡意，吩咐他去请四夫人来下棋。四夫人到后，他就睡觉去了。直到后来听见惨叫声，他才匆匆赶到现场。
待众人离去，王天望陷入了沉思。柳烟是看着杜儒声死的，她的嫌疑最大。可一个弱女子怎有力气把人的脑袋如此干净利索地砍下来？呆立片刻，王天望命人掌灯，然后趴在地上再次查看现场。突然，他嘴角露出了一丝笑意，并用手指在地面捻起一段草茎。这草茎长仅一寸，两端断口光滑平整，分明被利器切过。王天望忙带人来到马厩，在马槽下找到一把带血的铡刀，还有一件血衣。
血衣是杜家养马人何正的衣服，他奇丑无比，却养得一手好马，三年前被杜儒声招揽回家。调查后，王天望发现何正是化名，此人真名叫郑重阳，是柳烟未嫁前的情郎。两人青梅竹马，可柳烟16岁那年，她父亲突染重病，杜儒声答应出钱救治，但条件是让柳烟做他的小妾。为了救父，柳烟嫁入杜家。郑重阳忘不了柳烟，于是自毁容貌，进入杜府。
择日，王天望升堂审理此案。郑重阳、柳烟大呼冤枉，但王天望认为铁证如山，命大刑伺候。严刑之下，郑重阳和柳烟双双在认罪书上画了押。于是，王天望判决：郑重阳和柳烟通奸，合谋杀死了杜儒声，处死刑。
同年六月，新皇登基，举国庆贺，死刑一律暂缓一年。第二年，王天望因破案有功，被调往外地，由吕长亭接任玉县知县。到任后，吕长亭遍阅案卷，看到杜儒声遇害案后，心下起疑：若是郑重阳和柳烟合谋杀死了杜儒声，柳烟何必大声喊叫，引来他人？柳烟想掩饰的话，随便找个理由都比毛笔杀人更让人信服，为什么她却偏偏选这个理由？
吕长亭当即决定夜审郑重阳和柳烟。据柳烟说，杜儒声对她一直疼爱有加，所以尽管她知道郑重阳进到杜宅，也一直严守礼教。杜儒声的脑袋的确是她无意用毛笔划掉的，当时书房内只有她和杜儒声，绝无外人进来。这下，轮到吕长亭糊涂了。
两天后，吕长亭造访杜府。此时，杜家的家业已全部交给杜儒林打理。简单寒暄后，吕长亭提出想见阿旺。杜儒林说阿旺去年回家省亲途中被土匪绑架了，音信全无，不知生死。
回到县衙，吕长亭再次陷入困境，杜儒声是怎样被杀的呢？杜儒林回房时杜儒声好端端的，按理杜儒林不可能是凶手；阿旺请柳烟过来后，并没有进去伺候，阿旺也不可能是凶手。如果柳烟是被冤枉的，那凶手是谁？藏身何处？吕长亭想得头痛欲裂，突然听到窗外传来一阵锣鼓声，一问才得知，一年一度的城隍庙会开始了。他换过衣服，决定去逛逛庙会。
城隍庙人头攒动，热闹非凡，戏台前很多人在看《三打祝家庄》：祝家大公子祝龙被李逵从床底下揪了出来，李逵大喝一声，板斧一挥，祝龙的脑袋顿时飞了出去。猛然间，吕长亭一拍脑袋，喃喃自语：“怪不得……原来如此。”
几日后，吕长亭重新审理杜儒声一案，还把审案的地点安排在了城隍庙前的戏台上。同时，他还请来了县上几个德高望重的长者过来陪审，杜儒林也在其中。
一切就绪后，吕长亭开门见山道：“郑重阳不是真凶，因为杜儒声被杀那晚，他压根就没出过马厩。”言毕，杜府的仆人马六上台作证，他说郑重阳被招至杜府后，没几天就驯服了几匹异域烈马。后来有人说郑重阳有本家传养马秘籍，于是他动了偷书的心思。就在杜儒声被杀那晚，他一直在郑重阳屋外潜伏，但郑重阳一直不离开房间，他只得作罢。离开时，他还在门口撒了一地钉子。抓捕郑重阳的捕快也证实，郑重阳的脚没事，倒是他们被钉子扎破了脚。
陪审的一位长者问：“既然如此，那真凶是谁？”吕长亭一拍手，一个戏班子从戏台后鱼贯而出，《三打祝家庄》再次上演；李逵板斧一挥，祝龙脑袋落地，可没头的祝龙伸手一摸，找到掉在地上的脑袋，提起来往脖子上一放一拧，居然又站了起来。这时，扮演祝龙的武生把衣领往下一拉，原来他的脑袋缩在衣领里，衣领上装了个套筒，掉在地上的假人头刚好可以套进套筒，一按机关就能掉落。
很快，好戏再次开演，可画面却完全变了：一男子端坐椅上，一女子手握毛笔，划过男子脖颈，随即一个脑袋掉落在地。女子惊昏过去，无头尸体却顶破套筒，长出新头，站起身从床下拖出个昏迷了的、和自己十分相像的人来，然后拿过铡刀，作势砍在昏迷的人的脖颈上。戏演到这里结束了，看戏的人们心里一片雪亮：床下那人是杜儒声，被毛笔划掉脑袋的男子就是凶手—杜儒林。
接着，吕长亭长叹一声，说：“三年前，有人找到戏班子，重金求学绝技砍头戏和口技。如果我所料不差，杜儒林那晚到访，用药把杜儒声放倒，拖到床下，然后假装醉酒，让阿旺搀扶回房，制造不在现场的假象，再趁夜回到书房，假扮杜儒声和柳烟下棋，用砍头戏吓昏柳烟，最后砍了杜儒声的脑袋，嫁祸给郑重阳。”
杜儒林听后，虽然脸色惨白，但仍拼命反驳，这时，戏台上出现一个人，杜儒林见之如见鬼魅，道：“阿旺，你……没死？”然后一声哀叹，说吕长亭说得对，阿旺是他买通的帮凶，也是他派人杀人灭口的。
之后，衙役给杜儒林戴上枷锁。这时阿旺突然扑通一声跪倒在吕长亭面前，流泪道：“多谢大人为在下报了杀兄大仇……”杜儒林吃了一惊，问：“你不是阿旺？”吕长亭呵呵一笑，说：“阿旺走失多时，我早猜到被你杀人灭口，所以效仿你的法子，也演了出戏。这是阿旺的孪生兄弟阿贵……”
杜儒林被收押后，吕长亭看了下郑重阳和柳烟，心情瞬间沉重了起来—他们因当初被严刑逼供，手足残废，后半生注定凄凉。