舞台はカリフォルニア州の架空の街ネプチューン。保安官の娘ヴェロニカ・マーズはごく普通の高校生。しかし、ある日元カレのダンカン・ケインの姉で親友のリリーが何者かに殺害され、ヴェロニカの人生は一変する。 ヴェロニカの父親キース・マーズは、リリーの父親である億万長者のジェイク・ケインを疑うが、事件に関わりがあることを証明できなかったため、保安官の職を追われてしまう。さらに、ヴェロニカの母親であるリアンも街の人々に後ろ指を差されることに耐えきれず、アルコール依存症となり家を出て行ってしまう。ヴェロニカは父親の味方をしたことで友達を失い、高校内で孤立する。 保安官を辞職し街のはみ出し者となった父親のキースは私立探偵事務所を開く。ヴェロニカは父親の手伝いをしながら、クラスメートの頼みで自分自身も女子高生探偵として働くようになる。 リリーの事件に納得がいかないヴェロニカは、父親に内緒でリリーの事件を独自に調査し、事件に隠された大きな秘密を発見していく。