Joseph Rouletabille est hanté par une femme qui venait le visiter, enfant, au pensionnat et dont il conserve le souvenir obsédant du parfum. Tandis qu'il s'en ouvre à Sinclair, son fidèle acolyte, il apprend que son amie Mathilde Stangerson convolant en voyage de noces avec son mari Robert Darzac, est en danger. Il s'empresse de la rejoindre, craignant le retour de l'illusionniste et intrépide Ballmeyer.

La guerre des Balkans vient d'éclater en Bulgarie. C'est pour cette raison que le journal "L'Epoque" a décidé d'y envoyer son meilleur reporter, Rouletabille. Ce dernier en profite pour revoir la femme dont il est éperdument amoureux, Ivana. La jeune Bulgare lui raconte comment ses parents et sa sœur sont morts par la main du terrible bandit Gaulow.

La porte de la chambre fermée à clef "à l'intérieur", les volets de l'unique fenêtre fermés, eux aussi "à l'intérieur", pas de cheminée. Qui a tenté de tuer Mlle Stangerson et, surtout, par où l'assassin a-t-il pu fuir de la chambre jaune ? C'est le jeune reporter Rouletabille, limier surdoué et raisonnant par "le bon bout de la raison", qui va trouver la solution de cet affolant problème.

En 1913 le journaliste Rouletabille s'est fait envoyer en Bulgarie par son journal pour rendre compte de la guerre des Balkans, car il est amoureux d'une jeune Bulgare rencontrée à Paris : Ivana, la nièce du général Vilitchkov. Dans le roman qui précède celui-ci il l'a délivrée du Château Noir où la tenait prisonnière l'ennemi de sa famille, Gaulow, devenu Turc sous le nom de Kara-Selim. Mais elle a maintenant un comportement bizarre qui déroute Rouletabille et risque de faire tomber aux mains des Turcs les plans de guerre de son oncle qui se trouvent dans le précieux coffret byzantin dont s'est emparé Gaulow sans savoir ce qu'il contient.

Alors que Rouletabille et son épouse, la ravissante Ivana, se trouvent en villégiature à Deauville, la jeune femme est assassinée en même temps que son patron, le célèbre professeur Boulenger. L'attitude ambiguë des deux victimes, qui flirtaient ouvertement, amène rapidement la police à considérer Rouletabille comme le suspect numéro 1. Comment ce dernier parviendra-t-il à prouver son innocence ? Et surtout, en trouvera-t-il la force, alors qu'il souffre terriblement ? Sa femme a été tuée et l'avait peut-être trahi.