芳草地女子学校迎来一位特殊的转学生——瑞士谢斯塔公主。这位即将入学的皇室成员，本该为学校增添光彩，但校长发现她对未婚夫阿里亲王被杀一事毫无悲恸。毕竟这场婚约源于父母之命，两人素未谋面。谈话间，公主的目光被校园里唯一的男性吸引：正在清扫落叶的园丁亚当，他挺拔的身姿在绿荫中格外显眼。
除了皇室成员，詹妮弗、茱莉亚等名门闺秀的入学让校长倍感欣慰。这位创校者开始萌生退意，为给开学典礼增添光彩，她特意邀请名侦探波洛来校演讲。这位身材矮胖、留着滑稽八字胡的侦探，虽外形独特，却拥有无人能及的智慧与洞察力。校长希望他能留校观察教职员工，协助挑选下一任校长。
老员工蕾蒂丝看似是最佳人选，但她年事已高、思想保守，难以带领学校创新。校长陷入两难之际，波洛发现这所女子学校暗流涌动。深夜，女护士长突然叫醒蕾蒂丝，声称在照顾病患时看到有人奔向体育馆。两人冒雨前往，发现体育老师双膝跪地，胸口插着一支标枪，显然已遭杀害。
这起命案引发全校恐慌，家长纷纷为孩子办理转学。谢斯塔公主向警官透露，自己遭到监视，怀疑体育老师因发现凶手身份而被灭口。警官认为她胡言乱语，但波洛却注意到公主的警觉并非空穴来风。调查中，波洛发现体育老师生前虐待学生、探听隐私，而园丁亚当对体育馆的异常关注也引起怀疑。
亚当的真实身份令人震惊——他竟是皇室特工，奉命保护下一位王位继承人谢斯塔公主。原来公主的表兄阿里优素福亲王遇害后，公主成为新的目标。但波洛揭穿亚当另有所图：学生詹妮弗的叔叔鲍勃是亲王亲信，有人试图通过他接近皇室。当波洛问及关键人物"安吉尔"时，亚当语焉不详。
就在波洛记录公主乘车信息时，校长回忆起开学典礼当日的异常：茱莉亚的母亲曾盯着某人喃喃自语，称其酷似已故特工安吉尔。这个线索与亚当提及的名字不谋而合。当波洛试图进一步询问时，茱妈已踏上前往安纳托利亚的旅程。与此同时，校长展示的一个布娃娃成为新线索——娃娃身上插着针，模样酷似体育老师。
波洛通过娃娃身上的颜料味锁定美术老师。原来她因痛恨体育老师的恶行，制作布娃娃泄愤，事后担心成为嫌疑人才丢弃。就在调查陷入僵局时，谢斯塔公主突然失踪。波洛却从公主的膝盖特征判断，眼前人并非真正的公主，而是革命分子找来的替身——真正的公主早已在瑞士遭绑架。
革命分子企图通过假公主获取阿里亲王的红宝石。然而计划失败后，假公主匆忙逃离。与此同时，法语老师准备敲诈凶手，却在约定地点遇害。波洛指出，真正的凶手就藏在学校中，如同"鸽群里的猫"。调查显示，阿里亲王的好友鲍勃曾将珠宝藏在妹妹詹妮弗的行李中，革命分子洗劫未果后，将目标转向詹妮弗的网球拍。
波洛揭露惊人真相：秘书沙普兰就是特工安吉尔。她为革命分子窃取机密时，发现亲王藏有巨额珠宝。安吉尔化名沙普兰潜入学校，尾随体育老师至体育馆后将其杀害。当茱妈指认其身份时，安吉尔持枪劫持校长，幸得蕾蒂丝舍身相救。原来安吉尔就是鲍勃的前女友，她通过与鲍勃交往获知珠宝下落。
这起连环命案的导火索，竟是体育老师发现安吉尔的秘密后进行威胁。而袭击里奇老师的凶手是蕾蒂丝——她因担心校长人选旁落，在情绪失控下痛下杀手。最终，校长邀请里奇共同管理学校，这场笼罩芳草地女校的阴云终于散去。
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