明智小五郎の誘いで、「第2の3億円事件」（前作『名探偵なんか怖くない』）に関わったジュール・メグレ夫妻、エルキュール・ポワロ、エラリー・クイーン、そして警視庁の吉牟田刑事は、瀬戸内海を航行する観光船「あいぼり丸」に乗り込んでいた。神戸港発、別府港行きの定期便である。船旅を楽しむ一同だが、「エコー・ド・フランス新聞」の東京特派員アレン・セルパン（Aren Selupin）が現れ、「4人が何か企んでいるのでは?」、「そうでないとしても、事件が起きるのでは?」と質問してきた。

クイーンの財布が掏り取られたのを皮切りに、アルセーヌ・ルパンが挑戦状を送ってくる。折りしも「あいぼり丸」には宝石商の島崎が乗っており、彼は総額1億円相当の宝石類を持っていた。彼の宝石を狙い、予告状を送りつけるルパン。島崎は船長を通じ、4人の名探偵に解決を依頼。4人はこれを引き受ける。しかし、島崎は特等室の中で血まみれの死体となって発見され、室内には「この謎が解けるか?」と、ルパンの声明文が残っていた。密室殺人、しかも部屋の前では吉牟田刑事が頑張っていたにもかかわらず、である。それよりも、「血を流さない」のが信条のはずのルパンが殺人を犯すとは…?

事件は収束したものの、新たに船長室にある横山大観の名画「富士山」を巡り、ルパンとの再試合が開始される。だが、これに絡み、またしても殺人が。ルパンは対決を一時休戦し、4人の名探偵とは別に犯人を探索する。果たして犯人は?

最後に、ルパンと怪人二十面相の作り上げた「完全な密室」に4人と吉牟田刑事は閉じ込められてしまう。トリックのない密室からの脱出は不可能で、助かりたければルパンに降伏するしかない。4人の名探偵の決断は?

本作は観光船「あいぼり丸」（3000トン）が瀬戸内海を航行する最中の事件（クローズド・サークル）であり、以下は旅客もしくは乗組員である。ほぼ登場順に記載するが、都合によりジュール・メグレのみ繰上げている。

各名探偵の詳細については、リンク先の記述を参照。

ジュール・メグレ

フランスを代表する名探偵。パリ警視庁を定年退職した。本作で言及される階級は警部。
コーヒーやワインも飲むが、世間の先入観があるので、外ではビールしか頼まない。
「白鳥の首のエディス」("Édith au cou de cygne")事件を引き合いに出し、「ルパンは殺人はしない」と断言した。

メグレ夫人

のんびりと旅を楽しむつもりで、編み物をしている。別府温泉を楽しみにしている。
本作で最初に登場するキャラクターであり、最後に登場するキャラクターでもある。被害者の腕時計の遅れを見つけるなど、4人の名探偵以上の眼光を持っている。またポワロの内心を見抜いてからかうなど、ユーモアのセンスもある。
吉牟田刑事がジュヌビエーブを監禁して船長室に篭城した際、「殺人犯がルパンではない、と説明すれば人質を放すはず」と4人の名探偵に謎解きを迫ったが、「廊下で披露するのか?」と名探偵たちは内心では渋っていた。彼女はそれを見抜き、「暖炉とかサロンとかソファがなくては、あなた方は推理できないのですか?」と迫った。
第3作『名探偵も楽じゃない』以外の3作品で夫と共に来日しているが、前作『名探偵なんか怖くない』では別行動をしている（事件のために来日したので）。本作と第4作『名探偵に乾杯』では事件が予想されていなかったため、夫と行動を共にしている。

エルキュール・ポワロ

イギリスを代表する名探偵。本作まで「ポワロ」、次回作から「ポアロ」と表記。前作に続き、クイーンやアメリカ人に不快感を持っている（口笛を吹く点が、特に）。
マッチ棒を使って魚や城を作るクセを持っている。

アレン・セルパン（Aren Selupin）

「エコー・ド・フランス新聞」の東京特派員、と自己紹介して登場した。「4人の名探偵の集合には、何かウラがあるのでは?」と、メグレ以外の3人にインタビューして回る（「事件や犯罪が名探偵を追いかける」という主張を披露）。
明智にインタビューした際は、「あの事件はルパンのニセモノか、架空の事件、という意見がフランスでは多い」と説明したが、「ルパンがシャーロック・ホームズを手玉に取った事件を、イギリス人は、どう思っているかな?」と返された（クイーンも「ニセモノという噂がある」と述べている）。
最初にルパンの名を出したのは彼である。また、その時に二十面相の名前も出した。

エラリー・クイーン

アメリカを代表する名探偵。鼻眼鏡を使用している。
登場早々、財布を摺られ、ルパンにからかわれている。

明智 小五郎

日本を代表する名探偵。『化人幻戯』（1954年）を最後に、事件から遠ざかっていた。「第2の3億円事件」（前作）で、久しぶりに人前に姿を現す。
アレンの「エコー・ド・フランス新聞」に対し、「ルパンの機関紙」と指摘した（クイーン、ポワロ、メグレ夫人は気がつかなかった）。この時、ルパンからの挑戦状を渡されている。

吉牟田 晋吉

前作から引き続き登場。50歳ぐらいのベテラン刑事で、明智と知り合ったのは『化人幻戯』事件。
前作では渋谷署の刑事だったが、本作では警視庁捜査一課に移っている。次回作では警部補、第4作では警部に昇進している（ただし、第4作では言及されるに留まり、実際には登場しない）。
今回は明智に誘われて乗船したが、貧乏性のため、心から休暇を楽しめないでいる。真面目な人物だが、それが災いしてジュヌビエーブを傷つけてしまい、ルパンの逆鱗に触れ、4人の名探偵ともども絶体絶命のピンチ（完全な密室）に陥る。

セルニーヌ公爵夫人（ジュヌビエーブ）

30歳ぐらいの金髪美女。フランスの名門貴族、と旅客名簿には記載されている。
『813』（1910年発表）に登場する女性と同じ名前である（クイーンに指摘された）。クイーンに対して「2人1役が得意でしたね?」と皮肉を述べたが、「あなたがルパンの弱点ですよ」と忠告された。
本人いわく「女友達の一人」だが、ルパンからのメッセージを名探偵たちに渡した。妊娠3ヶ月だった。

新井精一

「あいぼり丸」の事務長。流暢な英語を喋れる。

船長

小柄な体格をしている。30年ほど前に、海軍兵学校で英語を学んでいる。

島崎

大柄な中年の宝石商。特等2A室の旅客。
総額1億円相当の宝石類を所持し、ルパンから予告状を受け取る。密室で死体となって発見され、宝石類は見つからなかった。

若い男性

2等船室の客で、22歳ぐらいの東京のサラリーマン。水泳が得意、と大声でいってしまったため、トリックのために突き落とされる（見舞いの花と、1万円を対価として秘かに渡された）。

アルセーヌ・ルパン(Arsène Lupin)

フランスを代表する怪盗。4人の名探偵に挑戦する。
変装して4人の名探偵に個別に近づいた。3人には挑戦の前に接近したが、メグレには殺人の後で接触している（メグレには親近感を持っている）。
シャーロック・ホームズと戦ったことは認めているが、明智に負けたことは認めていない（仮面を被って日本に現れたことすら否定している）。
父がアメリカで無実の罪で投獄され、獄死しているため、アメリカ人には好意を持っていない。クイーンは刑事の息子なのでなおさらであり、そのために財布を摺った。
ポワロはイギリス人なので、ホームズ以来の対抗心がある。

オオミヤ

誘拐された事務長（新井精一）を発見した乗組員。

怪人二十面相

日本を代表する怪盗で、明智小五郎のライバル。ルパンに今回の旅の件を教えた。
表立って活動するシーンは少なく、主に密室の設営に勤しんでいた。ルパンと違い、メグレ夫人に余り敬意を払っていない。

各見出しは、原典等をもじったものになっている。

番号	章題	原典	探偵	作家
1	ポケットに探偵を	ポケットにライ麦を	ミス・マープル	アガサ・クリスティ
2	挑戦準備完了	殺人準備完了	バトル警視	アガサ・クリスティ
3	災厄の船	災厄の町	エラリー・クイーン	エラリー・クイーン
4	何故メグレに頼んだか	なぜ、エヴァンズに頼まなかったのか?	ボビイ	アガサ・クリスティ
5	特等2A室の秘密	ローマ帽子の秘密 （国名シリーズ）	エラリー・クイーン	エラリー・クイーン
6	事務長殺人	アクロイド殺し	エルキュール・ポアロ	アガサ・クリスティ
7	そして誰かがミスをした	そして誰もいなくなった	-	アガサ・クリスティ
8	ルパン罠を張る	メグレ罠を張る	ジュール・メグレ	ジョルジュ・シムノン
9	Lの悲劇	Xの悲劇 Yの悲劇 Zの悲劇	ドルリー・レーン	バーナビー・ロス