澳大利亞的一家豪華酒店內正在舉辦著名的阿貝爾數學獎的頒獎典禮，這項數學界的最高殊榮這次同時授予了合作多年的兩位數學家二本松晉與野田茂男。在頒獎禮上，野田茂男看上去興致不高，但是二本松晉卻很享受這種眾星捧月的感覺。野田茂男性格木訥，平時只注重數學研究，而二本松晉卻是一個樂觀的人，他比較善於應付媒體。野田茂男有一個漂亮的妻子野田光子，但是，他自己卻不知道珍惜，對她很冷淡，整天迷戀在數學的世界中。光子對這個木訥的丈夫也不是很喜歡，於是她與二本松晉勾搭在了一起。但是，不久野田茂男發現了妻子與二本松晉的事，兩人爆發了激烈的爭吵，爭吵中，光子推了野田茂男，結果他不小心撞到了桌角，死去了。光子嚇壞了，她連忙打電話給二本松晉，而二本松晉來到他們的房間後，阻止了光子想要報警的行為。
他給野田茂男灌下了很多酒，然後幫他穿上泳褲，然後把屍體拖到樓下，裝作是他喝醉酒之後下樓摔倒，意外身亡的。做完這一切後，他與光子一起來到了酒吧，恰好遇到了來這裡遊玩的古畑任三郎與他的助手今泉。今泉看到二本松晉很是興奮，不斷的與他套近乎。而二本松晉正好想製造自己的不在場證明，他邀請古畑任三郎與今泉一起去光子的房間裡玩牌。雖然古畑覺得有些失禮，但光子卻說自己的丈夫與自己是分開睡的，不會有影響，古畑也就答應了下來。一開始，幾個人還是玩的好好的，但是不久，二本松晉突然發怒了，結束了牌局，還把古畑任三郎與今泉趕了出去。
凌晨時分，酒店服務員在樓梯口發現了野田茂男的屍體，他渾身赤裸的躺在地上，額頭鮮血淋漓，還沒走近，就聞到一股刺鼻的酒味。然而，趕到現場的古畑任三郎卻不這麼看，因為他難以想像野田茂男有裸泳的習慣。而且，他看到野田茂男的妻子野田光子以及搭檔二本松晉也沒有對他的意外身亡有多傷感。在追問中，他們兩人毫不避諱的承認了瞞著野田茂男偷情的事。然而他們辯解沒有殺害野田茂男的動機，因為二本松晉還要靠他的數學研究獲取名利。不久，當地警方在光子的房間裡發現了一個帶著血跡的菸灰缸，上面的血跡與野田茂男額頭上的傷口完全吻合。這下，光子疑惑了，自己的丈夫明明是後腦勺砸到桌子的，怎麼額頭上也會出現傷口呢。他以為是二本松晉在幫她處理屍體時不小心弄上的。所以，她決定為了情人的安全，獨自把整件事扛下來。然而，古畑任三郎卻發現了漏洞，因為給屍體灌酒的時候，還不忘了灌下日本的酒菜，這應該是日本人做的，而這個酒店裡就他們幾個日本。
如果是他的夫人光子殺人的話，古畑是不相信的，因為一個女人怎麼會搬動這麼重的野田茂男呢。經過搜查野田茂男的房間，他發現了二本松晉的殺人動機，他發現了困擾了數學界千百年的一個難題-法爾考定理居然被解開了。這個定理，誰能把它解開，誰就能名垂青史。他還原了事件的真相，原來，野田茂男第一次並沒有真正的死亡，而那個時候，正在和古畑任三郎一行人打牌的二本松晉突然想到自己的扇子遺留在了野田的房間，藉故提前終止了牌局，來到野田茂男的房間。但是，當他看到「死而復生」的野田茂男也嚇了一跳，而野田茂男卻因為被桌子砸到，出現了短暫性失憶，以為真的是自己喝醉酒摔下樓梯。此時，二本松晉看到了野田茂男解開的法爾考定理，欣喜若狂，但是，野田茂男卻告訴他，這次卻不準備帶他玩了，他準備獨自發表。二本松晉聽到後，發怒用菸灰缸砸死了他，而在趁別人不注意的時候，把殺人的菸灰缸放到野田光子的房間。他萬萬沒想到古畑任三郎的出現打破了自己的計劃，而古畑卻有告訴他一個壞消息，那個他認為可以名利雙收的法爾考定理已經被其他國家的數學家解開了，並給全世界知名的數學家都發來了他的解法，讓他們幫忙驗證。而二本松晉的水平不夠，自然沒有收到這個信息。野田茂男那個時候正好短暫性失憶了，以為是自己解開的。最後，二本松晉得到了應有的懲罰。
日本推理犯罪電影《微笑的袋鼠》是古畑任三郎系列的一部電影版作品，劇情還是比較燒腦的。