C'est la nuit. Le professeur Stangerson est dans son atelier quand il entend crier, dans une chambre attenante, sa fille Mathilde. Lorsqu'enfin il entre dans la pièce, Mathilde est évanouie (elle a été frappée), il y a des impacts de balles sur le mur, et l'agresseur a disparu, alors que toutes les issues sont bloquées. Sur place, l'inspecteur Larsan, échafaude diverses hypothèses, soupçonnant le fiancé de Mathilde, puis le garde-chasse, sans se désintéresser des concierges. Le journaliste Rouletabille, admirateur et rival de Larsan, s'oppose à ses théories, et élabore les siennes avec ses propres méthodes. Après avoir consciencieusement observé les lieux et les personnes qui y vivent, c'est en s'éloignant de la scène du crime que le jeune reporter va parvenir à élucider le mystère de la chambre jaune. En effet, après un séjour de quelques semaines aux �0tats-Unis, il révèle que Larsan est un célèbre magicien et gentleman cambrioleur, qui a eu une liaison avec Mathilde Stangerson lors du séjour de cette dernière outre-Atlantique. C'est lui qui l'a agressée, mais dans l'après-midi. Mathilde n'avait rien dit pour garder le secret de ses rapports avec Larsan. Et lorsqu'elle poussa un cri, cette nuit-là, ce n'était qu'un cauchemar, qui l'a fait tomber du lit et s'assommer en cognant la table de nuit. Il n'y avait personne dans la chambre jaune.