Décembre 2001. Michael Peterson, écrivain, appelle les urgences pour signaler qu’il vient de trouver sa femme Kathleen, femme d'affaires, gisant au bas de l’escalier sans doute victime d’une chute mortelle. A leur arrivée, les forces de police découvrent des lieux maculés de sang, qui ressemblent à une scène de meurtre. L’attention des enquêteurs se porte sur lui ; ils le suspectent.

Sa caution payée, Michael et son avocat David Rudolf élaborent leur défense. Ils doivent aussi considérer la demande de Jean-Xavier de Lestrade, un documentariste français, qui souhaiterait suivre l’affaire. Une reconstitution de la nuit du décès de Kathleen est programmée. De nouvelles informations sur Michael sortent ; ses enfants accusent le coup. Sa belle-fille Caitlin navigue en plein doute.

En 2002, le procureur Jim Hardin et son assistante Freda Black procèdent à une nouvelle fouille de la maison des Peterson, à la recherche d’un pique-feu, qu’ils pensent être l’arme du crime. David Rudolf et son équipe réfléchissent à la question de la double vie de Michael pour pouvoir contrer l’accusation le moment venu. Le mieux, bien sûr, serait de prouver que Kathleen était au courant.

Le procès s’est ouvert le 1er juillet 2003. La médecin légiste, appelée à la barre, subit les assauts de David Rudolf qui pointe des incohérences dans ses conclusions. Le bureau du procureur rouvre une affaire, qui présente d’étranges similitudes avec la mort de Kathleen et dans laquelle Michael pourrait être impliqué ; une affaire vieille de 25 ans où il était déjà question de chute mortelle dans les escaliers.

Michael fait appel de son jugement. En prison où on le surnomme "L'escalier", il découvre la violence du milieu carcéral. A Paris, Sophie, monteuse, travaille d’arrache-pied sur le documentaire de Jean-Xavier de Lestrade. Au fil d’une correspondance, elle noue une relation amicale avec Michael. De leur côté, le réalisateur et son producteur s’opposent sur le positionnement du documentaire.

Le couperet tombe, l’appel de Michael échoue une seconde fois. Son moral vacille. Larry Pollard, l’ancien voisin des Peterson, pense que le drame aurait pu être causé, cette nuit-là, par une chouette barrée, espèce commune dans la région. Sophie veut creuser cette piste, aussi déconcertante et singulière soit-elle. En 2017, Michael se trouve devant un dilemme cornélien.

Un corps amené à la morgue de Durham présente des blessures similaires à celles découvertes sur le crâne de Kathleen. Mise au courant, Sophie décide de mener sa propre enquête avec ces nouveaux éléments. De son côté, Evelyn Ivins, avocate au sein de l’association "Programme innocence", met au jour des dysfonctionnements au sein du bureau d’enquête de l'État de Caroline du Nord.

Le 9 décembre 2011, à la veille de l’audience du nouveau procès, l’angoisse gagne Michael et son entourage. Jean-Xavier de Lestrade capte ce moment clé de l’affaire. De son côté, David Rudolf fourbit ses armes. L’avocat, Sophie, les enfants de Michael mais aussi les sœurs de Kathleen et sa fille Caitlin qui constituent la partie civile, tous retiennent leur souffle.