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该剧讲述了日本侵华时期，在灯红酒绿的上海滩，大明星李梦露坠楼在最辉煌的时候却坠楼自杀，从而引发了上海滩的大骚乱和蝴蝶效应般的众多谜案。 故事发生在一九三七年被国民党反动势力统治下的魔都——上海。上海滩的著名电影演员李梦露突然在包住的百老汇大饭店坠楼而亡，引起轩然大波。各界议论纷纷，官方早早给出结论是自杀。上海著名侦探罗桑天经过现场勘查，认为李梦露坠楼下身出血，怀疑李梦露怀孕。与此同时，李梦露家被盗，失踪的病例以及家周围发现的婴儿的裤子，使罗桑天坚定李梦露怀孕的事实。也确信一个有着身孕并且连孩子衣服都已经置办了的女人是绝对不会自杀的。罗桑天立刻要求对李梦露尸体解剖。但是，警察局长却拒绝了罗桑天的请求。罗桑天只好根据李梦露生前所住的百老汇大饭店的住客锁定了嫌犯……
赵国章因挪用公款被判死刑，他在临死前惨呼李梦露的名字。绝代巨星李梦露在剧场耍大牌，对手凤人美出言嘲讽却遭掌掴。探长罗桑天在破案时救了国民党军政要员胡玉成，他因此获得玉成的赏识。旧情人施玉泉和梦露相拥而舞，其妻子桂玉欲持刀刺杀梦露却失败。粉丝疯狂的追逐梦露遭暴打，他扬言不会让世界毁灭梦露。梦露致电向神秘人逼婚被拒，当晚她竟跳楼惨死。
梦露跳楼身亡引起围观，流岩和人美为此发生争执。桑天认为梦露跳楼另有隐情，他向舞女打探梦露的生前事迹。桑天讲述梦露跳楼案件的疑点，他要求解剖尸体却被汉明拒绝。笑荣自言自语的悼念梦露，桑天盘问笑荣却无果。在祭奠现场出现和梦露长相一样的女人，倍感震惊的桑天称其为女鬼。桑天根据线索到济仁医院找外科医生何天佑，此时女鬼再次出现。桑天到梦露的住宅寻找病历无果，但他却找到婴儿的衣服。
桑天分析出梦露并非自杀却发现有人偷听，但他并未追捕到此人。汉明表示梦露家的脚印鉴定乃女士高跟鞋，桑天到人美家追查此事却无果。桑天偶遇记者胡蔚蔚，二人因此结识。玉泉和桂玉在梦露出殡当天大打出手，桂玉坦言确实有杀害梦露之心。桑天意外抓住了女鬼王莉莉，此人自称为梦露的影迷。张毅在人美家搜查到高跟鞋盒，但他却未找到高跟鞋。
笑荣看到貌似梦露的莉莉后将其收入剧社，同时从农村来的娟红也被收留做勤杂工。蔚蔚在报纸上披露梦露怀孕之事，桑天认为蔚蔚此举为破案带来麻烦。桑天为获得线索而陪蔚蔚看电影，蔚蔚表示曾有影迷扬言要毁灭梦露。莉莉潜入梦露家悼念梦露却险被发现，桑天根据两次暴窃要求立案遭拒。蔚蔚辗转各个电影院寻找影迷朱泱，她发现朱泱十分迷恋梦露。桑天和蔚蔚为查案强闯百乐门，二人被宪兵扣押。
这个时候记者胡蔚蔚提供了一个嫌犯，此人是影迷朱泱，他一直狂恋着李梦露。曾经在各种场合说爱李梦露，得不到李梦露，就要和李梦露这样的美丽女人一起毁灭。罗桑天审问了朱泱可没得到任何线索。罗桑天又找到了施玉泉询问有关李梦露死时的细节却发现了施玉泉在说谎。罗桑天从影迷朱泱家查到了一部电影拷贝，电影的内容和李梦露死亡现场一模一样，这部电影叫《死亡的证明》。
桑天陪同蔚蔚一起拜访玉成，他意外偶遇百乐门舞后高珊珊。蔚蔚扬言在调查梦露的死亡之谜，玉成在桑天走后向蔚蔚打探案情。流岩以梦露的生前事为诱饵邀莉莉出游，莉莉无奈应允。桑天指出笑荣有杀害梦露的嫌弃，桑天不以为然。流岩质问莉莉为何对梦露之事十分关心，他提醒莉莉不要多事。人美发现流岩和莉莉在一起，她为此醋性大发。
流岩意外在人美的房间里发现钻石金表，他认定梦露之死和人美有关，二人因此发生争执。桑天指出莉莉乃梦露的孪生妹妹，莉莉虽矢口否认却心感不安。上海滩连续发生仙人跳案件，汉明为使桑天远离梦露之案而派其查办此事。珊珊酒醉后桑天倾诉爱意，桑天好言安抚珊珊。桑天带人抓捕仙人跳的舞女，随后他逮捕了仙人跳案件的主谋。
仙人跳的主谋宁波供出梦露死亡案的新线索，桑天分析后表示桂玉的嫌疑有所提升。笑荣编排话剧以祭奠梦露，人美扬言要做话剧的女主角。莉莉打探梦露的生前事，笑荣将梦露的信件交予莉莉。笑荣在排练时向莉莉求爱，他坚称莉莉是梦露的妹妹梦珠。马超发现桂玉穿着霓裳高跟鞋逛街，但桂玉的鞋码却与闯入梦露家的鞋印不符。桑天向汉明分析梦露死亡案，他表示已有六人存在杀人动机。
桑天分析案件后表示有第七个嫌疑人，汉明为自保坚持认为梦露是自杀。流岩讲述和梦露的爱情并向莉莉表白遭拒，人美出现将流岩带走。人美因梦露之事和流岩再起争执，她对流岩已到痴迷的地步。桑天因未能查清梦露之死的真相而情绪低落，蔚蔚出现安慰桑天。马朝意外发现张毅冒充桑天的名义招摇撞骗，张毅下跪求马朝原谅自己。玉成询问梦露案件的进展，他心中暗藏心事。
蔚蔚发表新闻直指梦露死于砒霜，桑天调查药店后得知朱泱曾买过砒霜。桑天四处寻找朱泱未果，没想到朱泱竟惨死在家中衣柜。桑天希望开棺验尸却遭汉明拒绝，他倍感疑惑和无奈。桑天希望蔚蔚制造舆论压力促成开棺验尸一事，蔚蔚借机提出结婚的要求。张毅在机缘巧合下破坏黑市交易，他为私吞赃物而与马朝决裂。人美为阻止流岩追求莉莉而将权贵介绍予莉莉，莉莉假装欣喜。
人美在派对上隆重介绍莉莉，众人对莉莉的长相倍感震惊。莉莉乔装潜入玉泉家翻查，她将桂玉的信件交予桑天。桑天询问玉泉是否家中被窃，他公布桂玉的信件并将其逮捕。人美报警称家中遭暴窃，桑天勘察案发现场却发现流岩神情恍惚。娟红偷看莉莉的日记，此时莉莉突然回来。民众纷纷要求警察局开棺验尸，但此时桑天却发现梦露的尸体不翼而飞。
汉明得知梦露尸体被盗后十分气愤，他为自保竟想要寻找替死鬼。桑天向蔚蔚隐瞒梦露尸体被偷一事，但蔚蔚却从马朝的行动查看出端倪。蔚蔚在报纸上刊登梦露尸体已丢失，汉明大怒扬言要枪毙桑天却被劝阻。桑天发现莉莉在玉泉家门口徘徊，他再次出言试探莉莉。便衣发现人美保姆的亲戚穿着霓裳高跟鞋，桑天即刻逮捕人美查问此事。桑天经过排查后排除人美和流岩的嫌疑，他查案再次陷入僵局。
人美因拒演改版的剧本而拂袖离去，笑荣决定推举莉莉出演梦露。人美和流岩再次发生争执，流岩指出人美的金表乃梦露的饰品。桑天在梦露家遇到莉莉，他劝莉莉做事不要冲动。流岩带莉莉回家后偷躲在卫生间吸毒，莉莉借机离开流岩家。娟红偷看日记被莉莉发现，她巧言解释此事。莉莉看病时结识天佑，天佑对莉莉的长相十分震惊。莉莉因肺炎而住院，流岩带着玫瑰花向莉莉求爱遭拒。
流岩因没钱吸毒而回到人美身边，但他却依旧觊觎人美的财产。人美假意到医院探望莉莉，天佑看到人美的金表后倍感震惊，这引起了娟红的注意。娟红是桑天埋伏在剧社的内线，她决定跟踪天佑寻找线索。笑荣表示要改写剧本，娟红借机试探天佑。天佑到天平间查看冰柜，娟红随之找到梦露的尸体却被袭击。桑天在太平间的冰柜里找到昏迷的娟红，他意识到梦露的尸体已被转移。
娟红苏醒后指出天佑有作案嫌疑，桑天立刻向天佑查问此事。护士王倩倩因爱慕天佑而作伪证，天佑将梦露的尸体藏在床下。流岩再次向莉莉表白，莉莉拒之。人美带莉莉参加派对时偶遇玉成，玉成看到莉莉后惊呼梦露的名字。流岩指责人美不该将莉莉介绍予玉成，人美不以为然。人美在与流岩吵架时说出金表的事情，二人为此大打出手。
天佑潜入人美家翻查东西并杀害人美，保姆发现尸体后即刻报警，她认定流岩是杀害人美的凶手。流岩拒绝承认杀害人美，桑天虽释放流岩却暗藏心思。流岩向莉莉求爱遭拒，他扬言要赚大钱。流岩对人美之死倍感难过，莉莉将人美藏钥匙一事告知流岩。玉成在百乐门包房体验生活，他对莉莉产生了兴趣。天佑在舞厅里抱着花溅泪跳舞，桑天向珊珊打探天佑和花溅泪的事情。
张毅因吃混沌而暴露监视地点，天佑借机将张毅打昏。桑天发现钥匙已丢失并怒责张毅，师徒二人彻底反目。流岩潜入人美家偷走钥匙，天佑打晕流岩夺走钥匙并取走金表。桑天为查案而寻找莉莉，蔚蔚竟因此大吃飞醋。神秘人绑架玉泉后问桂玉索要赎金，桂玉忙召集亲属筹钱并向桑天隐瞒此事。流岩施计逃离张毅的监视，没想到他竟是绑架玉泉的主谋。
流岩将勒索的纸条丢在玉泉家门口，桑天即刻赶往流岩家查看。桑天认定流岩和绑架案有关，他命马超监视流岩家。绑架案的同谋小林为抢夺钻戒而杀害舞女，桑天经过调查确认了嫌疑犯的身份。桑天施计从司机口中确认玉泉被绑之事，他发现劫杀案的嫌疑人正是绑匪。张毅表示桂玉带着赎金即将与绑匪见面，桑天率部队抓捕流岩却无果。
流岩持枪胁迫莉莉与自己私奔，桑天利用鸦片分散流岩注意力并将其抓捕。玉泉和桂玉团聚后重修旧好，桑天将赎金还予施家。玉成打探梦露一案的进展并讲述政治抱负，桑天感到玉成是投降派。玉泉将金表之事告知桑天，桑天即刻提审流岩。天佑是一系列杀人案的凶手，他把梦露的尸体放回太平间。桑天在话剧现场偶遇天佑，二人开始斗智斗勇。
桑天意外发现倩倩是天佑的情人，他再次到太平间查看却发现天佑在跟踪自己。桑天派人搜查太平间遭到医院抗议，汉明闻讯后撤销桑天的职务并让张毅担任探长。莉莉承认自己乃梦露的妹妹，桑天安慰莉莉却被蔚蔚误解。珊珊因迷恋桑天而拒绝和玉成跳舞，怎料玉成竟持枪逼迫珊珊。桑天怀疑花溅泪是取走金表之人，他到银行调查此事却遭张毅斥责。
