身寄りのない寺田辰弥（萩原健一）は新聞の尋ね欄で自分を探している者がいると知り尋ね主の諏訪弁護士（大滝秀治）を訪ねる。そこで辰弥は自分が岡山県八つ墓村の旧家・多治見家の後継者であることを知らされる。だが迎えに来た母方の祖父・丑松（加藤嘉）が辰弥の目の前で毒殺される。
辰弥は多治見家の親戚筋である西屋の未亡人・森美也子（小川真由美）の案内で八つ墓村へ向かう。その車中で美也子から八つ墓村にまつわる伝説を聞く。
戦国時代、毛利方に敗れた尼子義孝（夏八木勲）ら8人の落武者が村に住み着いたが褒賞金目当ての村人達に虐殺された。その祟りを恐れた村人達によって八つ墓明神が祀られ、以来村は八つ墓村と呼ばれるようになったと言う。
多治見家に到着した辰弥は大叔母にあたる双子の老姉妹・小竹（市原悦子）小梅（山口仁奈子）、腹違いの姉・春代（山本陽子）に対面する。その晩、離れで寝付かれない夜を過ごした辰弥は、深夜に小竹と小梅の不審な行動を目撃する。
翌日、病床の兄の久弥（山崎努）と対面するが、直後に久弥は急死する。久弥の遺体は土葬されるが、直前に県警の磯川警部（花沢徳衛）と探偵の金田一耕助（渥美清）が現れ久弥の死因に不審の点があるとして遺体が司法解剖に附される。
その晩、再び小竹と小梅を目撃した辰弥は、二人が秘密の入り口から鍾乳洞を訪れるのを知った。そして洞窟の中で死蝋化した鎧武者姿の父・多治見要蔵を発見する。辰弥は春代の話で、今から28年前に要蔵（山崎努、二役）が母・鶴代（中野良子）を無理やり犯して自分が生まれたこと、鶴代が赤子の辰弥を連れて逃亡したことに激怒し発狂した要蔵が村人32人を惨殺して失踪したことなどを知る…。