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12年前の同じ日に父を亡くしたドウォンとソギョンは、それぞれ刑事と検事になっていた。ドウォンは、5年前に廃駅になったムギョン駅の線路で4体の白骨遺体を発見。すべての遺体には鈍器による頭蓋骨骨折の痕があり、その手口を知ったソギョンは、12年前に自分の父が犠牲となった殺人事件と同一犯の可能性を疑う。

ドウォンは、白骨遺体にソギョンの継母の連れ子、イ・ソンウクが関係していることを突き止める。過去の事故で頭に障害が残るソンウクからは有力な手掛かりを引き出せないが、ドウォンはソンウクが口走っていたいくつかの言葉を頼りに、事件には5人目の被害者がいると推測。ドウォンとソギョンはムギョン駅に向かう。

ソギョンは12年前に父を殺したのがソンウクだと思い込み、ソンウクを追い詰める。ところがドウォンは、事件の真犯人は自分の父だったと打ち明ける。混乱するソギョンは、さらに課長のオ・ミスクまでもがその事実を隠していたことに衝撃を受ける。ミスクは、すべては当時継母と義兄から虐げられていたソギョンを守るためだったと告げる。

ソンウクが逮捕されるが、ソンウクの母チョ・ヨンランは息子の無実を訴え、遺体に残された犯人のDNAもソンウクのものではなかった。ソギョンは白骨遺体の遺品のアクセサリーが12年前の事件で自宅から盗まれたものと知り、父を殺した真犯人はドウォンの父ではなく別にいると確信。一方、ドウォンの前に5人目の遺体と同一人物が現れ……。

ムギョン駅に向かったソギョンが何者かに殺害され、その現場には6人目の死体も遺棄されていた。証拠品に残された右手の指紋から麻薬ブローカーだったイ・ジンソンが浮かぶが、イには右手の指が2本なかった。ドウォンはソギョンが残したメッセージを聞き、ソギョンの父が殺された事件と一連の殺人事件は同一犯によるものだと知る。

ミスクはドウォンが常習的に薬を服用していることや、捜査方法が度を越していることを問題視し、停職を言い渡す。ソギョンの死を受け入れられないドウォンは絶望のなかムギョン駅へ行き自ら命を断とうとするが、そこへ走るはずのない列車が向かってくる。ドウォンはその列車にソギョンが乗っているのを目撃し、思わず列車に飛び乗る。

警官に追われて逃げるドウォンは、死んだはずのソギョンに銃を向けられ、殺人容疑で拘束された。自分が住む世界と全く同じもう一つの世界にいるのだと気づいたドウォン。もう一つの世界ではソギョンもドウォンも刑事だったが、ドウォンは汚職と麻薬に手を染めていて、ソギョンはドウォンを、父を殺した犯人の息子として憎んでいた。

もう一つの世界で殺されたイ・ジンソンの行動をたどるドウォンは、ジンソンが6人目の被害者の死体を目撃したことが原因で殺され、もう1人の自分はそれを追っていたと推測。必ず自らの手で真犯人を捕まえると誓う。もう一つの世界のドウォンの部下、ジェヒョクとジュニョンは、いつもと様子の違うドウォンに戸惑いを覚えていた。

どちらの世界でも12年前に同じ事件が起きていたが、ドウォンは自分の異なる選択によって、それぞれの世界の自分の運命が変わったのだと理解する。車両庫で自分が乗ってきた列車について調べていたドウォンは、もう1人の自分が同じ列車に乗っていて、互いの世界が入れ替わったと気づく。そこへ真犯人からの電話がかかってきて……。

ドウォンに恨みを抱くもう一つの世界のソギョンは、ドウォンの悪事を暴くためムギョン署に異動してくる。自分に冷たい刑事のソギョンだが、ドウォンは死んだソギョンへの思いから、思わず彼女を抱きしめる。ドウォンらが捜査を始めた失踪者は、元の世界で遺体で発見された6人目の被害者だった。容疑のかかった男を追うが……。

ドウォンは、容疑者として追っていた男が元の世界で部下のキム・ジヌだったことに衝撃を受ける。ジヌはかつて自分に冤罪をかけたドウォンを激しく恨んでいた。一方、ドウォンと入れ替わったもう一つの世界の汚職刑事ドウォンは、状況を把握し、自分がいた世界へ戻るためにムギョン駅へ。しかし、いつまでたっても変化は起こらない。

ソギョンのリストカットの痕が気になるドウォン。もう一つの世界では、自分の父が原因でソギョンが苦しんできたことに胸を痛める。ドウォンは被害者失踪の日に近所で見知らぬ車を見たというジヌの証言をもとに、あらためて現場を調べに行く。そんななか、留置場にいたジヌが脱走。ドウォンらは、ジヌのターゲットは別にあると気づく。

もう一つの世界のヨンランが殺された。ドウォンがヨンランの息子ソンウクを調べ始めると、もう一つの世界のソンウクは母の金で放蕩する人物とわかる。一方、世界を移動したもう1人のドウォンは、今いる世界で父がひき逃げされ亡くなっていたことを調べ、12年前、自分の世界で父をはねそうになった車こそが真犯人につながると確信する。

ソンウクの持ち物の中から事件の証拠品が見つかり、連続拉致殺人事件の容疑者として指名手配された。同時に、12年前にミスクがドウォンの父ジェチョルを誤認逮捕したと非難が集まる。ソギョンはドウォンに黙って単独で捜索に向かい、潜んでいたソンウクと対峙。父を殺した真犯人として怒りをぶつけ、ソンウクに向けて発砲するが……。

追い込まれたソンウクは、何かに怯えるようにパニックを起こし、ひたすら犯行を否定する。そんななかドウォンは、自分の世界に戻ってきたもう1人のドウォンと対面。ソギョンは入院中のジェチョルを訪ね、長年恨んできたことを謝罪した。ソンウクに共犯がいたことを知ったドウォンは、ソギョンと共にソンウクの同窓生に聞き込みを始める。

ソギョンの提案で、ソギョンの担当医ソク・ミンジュンによるジェチョルの催眠療法が行われた。事件当時の記憶がほとんどなかったジェチョルは、現場に薬瓶が落ちていたことを思い出し、ドウォンはこれが真犯人の手掛かりにつながると考える。その矢先、ジェチョルが病室から姿を消した。病院に来ていたもう1人のドウォンは父を捜すが……。

もう1人のドウォンとジェチョルが車にはねられ死亡。遺体になったドウォンと生きているドウォンを前に、ソギョンもジョンミンも驚きを隠せず、ドウォンは12年前に運命が分かれた別の世界について説明するが、2人はどうしても受け入れられない。ドウォンは目撃証言から、もう1人の自分と父が真犯人によって殺されたのだと悟る。

失踪事件の被害者たちの共通点を探っていたドウォンらは、全員が同じ病院の精神科に通っていたことを突き止めた。さらに、真犯人が難病を患っていると推測していたドウォンは、密かにDNA鑑定に出していた証拠の分析結果を確認し、真犯人が誰なのか確信を持つ。すぐにソギョンに知らせようとするが、ソギョンと連絡が取れず……。

真犯人があっさりと犯行を認め自首をした。しかし、犯行を立証するには証拠を見つけなければならない。今いる世界で殺された被害者の遺体は、元の世界で遺棄されていて見つけられないことを知るドウォンは、別の物証を捜すため奔走。真犯人の自宅を捜索していたソギョンは、真犯人の幼いころの写真を見ながら不審な点に気づく。

証拠が見つからないまま真犯人の拘束期限が近づき、ドウォンは殺されたもう1人の自分の遺体を証拠にすることを決意。ところが、肝心の遺体は別人とすり替えられ、火葬されてしまった。証拠不十分のまま釈放される真犯人は、さらなる殺人を犯したことを告げる。その被害者の遺体が元の世界に運ばれると勘づいたドウォンは、駅へ急ぐ。

列車が元の世界に到着する間際、遺体を運ぶ人物を追い詰めたドウォン。しかし、真犯人とばかり思っていたその人物は、あまりにも意外な人だった……。もう一つの世界では、チーム員たちが突然姿を消したドウォンを捜していた。ソギョンは、ドウォンから話を聞いていた2つの世界をつなぐ列車が廃車になるという記事を目にする。

元の世界に戻ったドウォンは、信頼していた人に裏切られたことに憤っていた。自分が別の世界にいる間に辞職していたミスクの居場所を突き止め、12年前の事件の真相を問いただす。そのころもう一つの世界では、ソギョンが真犯人の最後のターゲットを割り出していた。ドウォンは再びソギョンのいる世界に戻るため、ムギョン駅へ向かう。

もう一つの世界に戻ったドウォンは事件を解決し、この先もソギョンのそばにいるために、今いる世界に残る決意をする。ドウォンが愛した人が別の世界にいた自分だったと知るソギョンはドウォンの気持ちに応え、2人は新たな関係を築き始めた。すべてが片付いたと安堵するドウォンだったが、ソギョンが自宅で何者かに刺されてしまう。

ソギョンのそばにいれば彼女を守れると思っていたドウォン。しかし、元の世界とは違う人生を送っていたもう一つの世界の人々が、自分の存在のせいで結果的に元の世界と同じ運命をたどっていることを悟り、がく然とする。このままでは再びソギョンを失ってしまうと考えたドウォンは、ソギョンを守るためこの世界を去ろうとするのだが……。