故事發生在一九三七年秋天上海。
上海灘的著名電影演員李夢露突然在包住的百老匯大飯店墜樓而亡，引起軒然大波。各界議論紛紛，官方結論是自殺。
上海著名偵探羅桑天經過現場勘查，認為李夢露墜樓下身出血，懷疑李夢露懷孕。與此同時，李夢露家被盜，失蹤的病例以及家周圍發現的嬰兒的褲子，使羅桑天堅定李夢露懷孕的事實。也確信一個有著身孕並且連孩子衣服都已經置辦了的女人是絕對不會自殺的。羅桑天立刻要求對李夢露屍體解剖。但是，警察局長拒絕了羅桑天的要求。羅桑天只好根據李夢露死亡現場的百老匯大飯店的住客排定了嫌犯。在李夢露死亡現場的百老匯大飯店有著名電影演員鳳人美包住的房間，有報業大亨施玉泉包住的房間，有報業大亨施玉泉老婆應桂玉包住的房間，還有著名編導劉笑榮曾經到過李夢露死亡現場，以及一個叫流岩的三流演員。羅桑天經過調查，發現施玉泉曾經在發達之前借過李夢露一筆錢並且和李夢露有過情感，而報業大亨施玉泉的老婆應桂玉嫉妒施玉泉和李夢露的情感，著名演員鳳人美和李夢露一直有矛盾，曾經在大庭廣眾下說要李夢露死的非常難看。
羅桑天圍繞著李夢露家失竊時留下的高跟鞋印等線索進行調查，發現了鳳人美有李夢露家被盜時的同樣的鞋盒，但是鳳人美拒絕承認自己有這樣的鞋。羅桑天派人秘密搜查了鳳人美家毫無結果。施玉泉的妻子應桂玉家有同樣的鞋，但是，和現場提取的女子腳印的尺寸不一樣。羅桑天調查陷入僵局。
這個時候記者胡蔚蔚提供了一個嫌犯，此人是影迷朱泱，他一直狂戀著李夢露。曾經在各種場合說愛李夢露，得不到李夢露，就要和李夢露這樣的美麗女人一起毀滅。羅桑天從影迷朱泱家查到了一部電影拷貝，電影的內容和李夢露死亡現場一模一樣。這部電影叫《死亡的證明》。於是羅桑天鎖定了殺害李夢露的兇手一定看過《死亡的證明》或者參加過死亡的證明一片的拍攝。於是該劇的編劇導演劉笑榮也被羅桑天列為疑犯。
記者胡蔚蔚在一個場合得到了影迷朱泱曾經在一個藥店裏買過砒霜，而且這個砒霜是為李夢露買的。羅桑天得知這情況，立刻抓捕影迷朱泱，但是，朱泱已經被吊死在他租住的屋子裏，被殺人滅口了。
羅桑天因為朱泱買砒霜一事，要求局長開棺驗屍已證明李夢露是他殺。但是，局長拒絕。記者胡蔚蔚聯合了報界同仁在上海灘的報紙上發表了系列文章呼籲還李夢露以公正。警察局長無可奈何下只好同意開棺驗屍。
但是，當警察局長率眾人到了李夢珠的墓前打開李夢露的棺材，李夢露的棺材裏空空如也。李夢露的屍體不見了。
