Un commissaire de police espagnol et un de ses amis français, inspecteur enquêtent conjointement à propos du meurtre d'un luthier dans son atelier de Barcelone, étranglé avec la corde d'un violon brisé. Ils n'ont aucune piste si ce n'est qu'un musicien de rue a entendu au moment du crime une musique qui l'a subjugué mais qu'il est incapable d'identifier. Il est cependant capable de la reproduire et les deux inspecteurs profitent d'une émission de radio (la mélodie mystérieuse) pour tenter d'en savoir plus avec l'aide des auditeurs. Un homme prétend alors en être le compositeur avant de raccrocher brutalement. On le localise. L'enquête mènera les policiers dans un cabaret puis auprès du professeur de musique Visconti. Les empreintes de ce dernier étant retrouvées sur le violon fracassé, il est inculpé et incarcéré. Mais voilà que le musicien de rue est assassiné à son tour, l'enquête doit donc redémarrer et les inspecteurs finissent par découvrir à Nice, Florencio, un violoniste de cabaret en couple avec une jeune danseuse. Il s'enfuit avec elle, les policiers à leur trousse, tente de passer en force la frontière italienne et s'écrase contre un parapet. Florencio meurt sur le coup, sa maitresse n'est que blessée.