Antoine Verlay est un policier intuitif qui apprécie l'efficacité et les enquêtes compliquées. Apprécié de sa hiérarchie, il se voit confier par le commandant Pardo un dossier singulier. En effet, au château d'Amboise, un tableau représentant Anne de Bretagne a été dérobé. Or, ce larcin a fait une victime : un cadavre a été retrouvé dans les jardins. Ignorant tout de la peinture de la Renaissance, Verlay est contraint de collaborer avec Florence Chassagne. Cette spécialiste de l'histoire de l'art se montre brillante mais totalement dénuée de tact. Ensemble, ils tentent de déterminer si l'œuvre a priori quelconque cachait une peinture inestimable.

Malgré les tensions qui naissent entre Florence et Antoine, le commandant Pardo demeure convaincu de l'efficacité de leur duo. Il tient à ce qu'ils fassent toute la lumière sur l'affaire du tableau volé à Amboise. Peu à peu, Florence en vient à accumuler les éléments de preuve permettant d'aboutir à une hypothèse stupéfiante : le portrait d'Anne de Bretagne dissimulerait-il en fait une œuvre méconnue de Léonard de Vinci ? À ses côtés, Antoine souhaite essentiellement résoudre le meurtre qui a été commis dans les jardins du château d'Amboise, et se montre peu sensible à l'excitation artistique de son binôme...

L'Office central de lutte contre le trafic des biens culturels mène l'enquête sur le meurtre d'un étudiant lors d'une fête organisée dans les sous-sols d'une prestigieuse école d'art parisienne. Florence Chassagne est contactée par le commandant Prado afin d'aider Antoine Verlay. Leur collaboration n'enthousiasme guère le jeune policier. Pourtant, Florence apporte un éclairage précieux lors des premières investigations. Lorsqu'il apparaît que le défunt avait subtilisé deux oeuvres de Watteau, sa théorie bouscule les certitudes d'Antoine. Parallèlement, les difficultés de Pierre Chassagne s'accroissent. Il se tourne alors vers sa fille mais celle-ci entend se protéger maintenant qu'elle commence à surmonter ses récurrentes difficultés psychologiques...

L'enquête se poursuit mais la différence d'approche de Florence et Antoine complique l'enquête. De plus, la présence d'un ex-petit ami de Florence ne fait que compliquer les investigations en cours. La victime menait-elle une double existence ? Quel esthète criminel pouvait lui en vouloir au point de l'égorger au pied de l'une des œuvres majeures du Louvre ? Engoncé dans ses méthodes expéditives héritées de la PJ dont il a été écarté, Antoine trépigne. Petit à petit, dans les couloirs du prestigieux établissement, ils découvrent un indice majeur...

Au musée du Louvre, à Paris, Delphine, une jeune conférencière, s'écroule devant le tableau : « Le Radeau de la Méduse ». Du cyanure a été versé dans son thé. L'enquête est menée par le policier Antoine Verlay et la spécialiste de l'art, Florence Chassagne. Cette dernière est persuadée que le meurtre est lié à la grande toile exécutée par Théodore Géricault au début du XIXᵉ siècle. Peu après, Fabien, l'amant de Delphine, est poignardé près de la tombe du peintre au cimetière du Père-Lachaise.

L'enquête sur la mort de la conférencière, Delphine Etiembe, se poursuit avec l'arrestation d'une schizophrène, Émilie Bazin. Cette dernière travaillait à la restauration du « Radeau de la Méduse » et n'appréciait pas que Delphine et Jacques, son mari, eussent sous-estimé la dégradation de l'œuvre et se fussent moqués d'elle. Émilie était aussi en contact avec Arthur, le fils des Etiembe, mais le capitaine Verlay doute de la culpabilité de la jeune femme.