在1855年4月初，九州不知火海的海滨渔村，一个9岁女孩突然得了一种怪病，死在水俣镇立医院。不久，又有十来个人也死于同样病症。传说纷纷，认为海里的鱼虾有毒，吃了就会得上怪病。从此，鱼摊上的鲜货无人再敢问津。4年过去了。尽管查出，病源在于镇上东洋化成厂排出的废水中，含有大量水银，污染海水，毒害鱼贝所致。可是，厂方却死不认账，强词夺理，还另设排水口，夜间偷放污水。所以，到了1957年，怪病有增无减，渔业也凋敝不堪。渔民不得已在这年的10月2日，派出代表同厂方谈判。不料，竟遭到厂方拒绝，由于警察干预，导致了流血冲突。
就在渔民同东洋化成厂的斗争方兴未艾之际，一个名叫结城宗市的神经科大夫失踪了。他是10月2日那天从东京来水俣镇调查怪病的，半个月后，妻子郁子见他逾期不归，又杳无音讯，便写信给警察局要求查找丈夫的下落。警官势良将这桩案子告诉警医木田，木田十分惊讶，因为他半月前，去一渔民家出诊时，一连3天都碰见结城。势良从结城下榻的奈良屋旅馆了解到，10月7日傍晚，有个50来岁的矮胖汉子曾找过结城。客人走后，结城也随即外出，就此一去不复返。势良进而查出，那汉子姓浦野，自称是东京北都大学的工科博士，同助手锦织来此调查海水污染情况。说是8日晨离镇回的东京。经与东京富坂警方联系，北都大学并无此2人，住址也是假的。看来浦野和锦织十分可疑，恐怕同结城一案不无关系。
恰在这期间，东京警察厅向全国发出通令，要各地协力破获一起大宗走私案，据说案犯都是旧军人。有个原关东军少将，年龄和相貌似与目前正在追查的浦野十分相像。警察厅派警官来栖负责破案。根据这一新情况，木田推断：浦野和锦织或许与走私组织有关，来熊去这一带潜伏待命，结城是其同伙，转达了头目的命令之后即遭毒手。
10月20日，当地渔民举行誓师大会，派了60名代表向镇当局和厂方请愿，要求保障渔业生产。本来警方还担心，怕发生什么暴动，结果却平安无事。
一天，木田同势良又去奈良屋旅馆北边一带山林里搜索。只见草地上横着一具尸体，被乌鸦啄食得面目全非。但从西装和身旁的笔记本来看，那正是结城。根据法医的尸检，断定为他杀。在此之前，势良曾将侦缉情况写信给结城妻子郁子，发现她也去向不明。据查，郁子原本是关东军中将之女。难道她同浦野一伙走私组织也有什么瓜葛不成？
11月初，势良得悉，锦织已被人谋杀在鹿儿岛县的一个小镇上。在现场，他遇见了东京警察厅的来栖警官，来栖认为，从种种迹象看来，浦野可能同走私案无关，但无疑是两起凶杀案的凶手。事隔不久，出人意料，浦野竟在老家汤山服毒自尽了。势良和木田赶到汤山，却遇到了郁子。她说：浦野原名阿久津，正是为了摆脱他的纠缠才东躲西藏。
案子里的一干人犯都已死去。在总结案件侦破过程时，按照来栖警官的推论，幕后人物是名叫寺野井的律师，他作过国会议员，现兼任3家公司的顾问，佐木川化工厂即是其中之一。阿久津只是寺野井手下的一个打手。因东洋化成厂是日本首屈一指的大厂，佐木川化工厂无法与之抗衡。寺野井便出谋划策，利用水俣病来搞垮东洋化成厂。于是派阿久津和化名锦织的河野来水俣镇，拟乘20日渔民暴动之机，炸掉东洋化成厂。这既能消灭竞争对手，又可嫁祸于暴动渔民。至于结城，早先靠着寺野井的接济读的大学，当了神经科大夫后，一心想自己开业。寺野井便又利用他的这个愿望，派他来水俣镇调查怪病，乘便画出工厂的示意图。7日晚上，结城在约定地点与阿久津接头时，不知就里，交出调查笔记后，阿久津就撕下画有示意图的几页。估计结城听说要炸厂便极力反对，阿久津一来怕结城泄露机密，二来也许还夹有别的私情，早就不怀好意，趁此机会一箭双雕，杀死了事。尔后，为了独吞寺野井答应的款项，又干掉了河野。但是，暴动既未发生，工厂也没有炸成，这一大笔钱自然捞不到手。如意算盘落了空，绝望之下便自裁身死。
11月2日清晨，数千渔民分乘400多艘渔船，到镇上游行示威，向国会派来的调查团请愿。下午召开了誓师大会，群情激愤，冲向工厂，同前去镇压的警察搏斗。被捕的年轻渔夫不断高呼：“还我大海！”
次日，木田在诊室里护理负伤的渔民和警察，不由得沉思起来：这种种究竟是谁之过？是工厂不好么？可是镇上的5万居民都希望厂里年年增产。在这一派繁荣景象的背后，水俣病人被弃置一旁，广大渔民又何以为生呢？1亿日元的渔业津贴，每户不过分到3万元，又怎能济事呢！看来错就错在国家的指导政策上……木田觉得仿佛有个无形的东西，在那幽暗的大海深处，张牙咧嘴追了过来……。