为了寻找写作灵感，小说家白川航来到一家位于深山里的老字号温泉旅馆——汤之宿。这里有一个规矩：每天夜里12点，男汤与女汤会“交换”，而交换的温泉据说能让人看到内心最渴望的幻象。白川在泡温泉时，遇到了一个叫月读的年轻男子，他是这家旅馆的继承人。两人在深夜温泉中频繁相遇，从陌生到熟络，白川渐渐发现，月读就是他在寻找的“故事本身”。而月读也发现，白川的到访并非偶然，他的笔名里，藏着一段月读家族不愿提及的往事。
白川终于揭开了所有谜团——他就是当年月读父亲救下的那个孩子，而月读一直在等的，就是他的归来。两人在交换温泉的深夜，在升腾的汤烟中相拥，白川说：“这次，我不走了，我要写的故事，就是你和这座旅馆。”
月读带白川去泡一个只有继承人知道的秘密源泉。泉水清澈见底，没有幻象，没有记忆，只倒映出两个人并肩的身影。月读说，这是“真实之汤”，只有在它面前，他才能确认自己不是谁的幻影。
白川在旅馆的仓库里发现了一个旧皮箱，里面装着一本泛黄的日记，正是月读父亲所写。日记里记录了月读的身世、旅馆的秘密，以及一段关于“救命恩人”的往事，而恩人的名字，竟与白川的笔名一模一样。
白川因记错时间而误入了女汤交换时间的温泉，正撞上也在泡汤的月读。白川惊慌失措，月读却毫不在意地笑道：“你不是作家吗？就当是取材了。”两人在尴尬中完成了第一次坦诚相对的交谈。
旅馆外面下起了大雪，月读在深夜敲开白川的门，邀请他去泡“雪见温泉”。温泉池边积着厚厚的雪，头顶是清澈的星空，两人泡在热水中，月读说：“你是第一个让我觉得，冬夜没那么漫长的人。”
白川在深夜12点准时来到温泉，打算验证“交换温泉”的传说。他刚下水，另一个人影就出现在雾气中。那人有着一头乌黑的长发和琥珀色的眼睛，正是旅馆继承人月读，他轻声说：“你是今天第三个相信传说的人。”