地方のとある理系大学を卒業した冬木(ふゆき)は、大学院に進学するために幽霊の少女と共にＤ市に越してきた。幽霊の名前はフェルミ。化けて出てきた目的や、そもそも誰なのかということはフェルミ本人ですら理解しておらず、冬木にも思い当たる節はない。冬木はお転婆で幼いフェルミに振り回されつつも、研究室の先輩たちや同期の矢野さん、そして実験室に長年居座る、わけあって口が利けない「妖精さん」らと共に、研究と勉強に追われている。
無意識のうちに瞬間移動してしまったという教授の主張は本当なのか、読めなくなった祖父の遺書に何が描いてあったのか、展覧会の絵画は一体だれが何のために盗んだのか、そしてフェルミは何者なのか？
冬木は研究で手一杯でそれどころではないのに不本意にも事件に巻き込まれ、少しずつ真相に近づいていく。