Na noite de 23 de dezembro de 1980, um avião cai na fronteira entre a França e a Suíça, deixando apenas uma sobrevivente: uma bebê de 3 meses. Porém, havia duas meninas no voo, e cria-se o embate entre duas famílias, uma rica e uma pobre, pelo reconhecimento da paternidade.

Numa época em que não existiam exames de DNA, o julgamento estende-se por muito tempo, mobilizando todo o país. Seria a menina Lyse-Rose ou Émilie? Mesmo após o veredicto do tribunal, ainda pairam muitas dúvidas sobre o caso, e uma das famílias resolve contratar Crédule Grand-Duc, um detetive particular, para descobrir a verdade.

Dezoito anos depois, destroçado pelo fracasso e no limite entre a loucura e a lucidez, Grand-Duc envia o diário das investigações para a sobrevivente Lylie e decide tirar a própria vida. No momento em que vai puxar o gatilho, o detetive descobre um segredo que muda tudo. Porém, antes que possa revelar a solução do caso, ele é assassinado. Após ler o diário, Lylie fica transtornada e desaparece, deixando o caderno com seu irmão, que precisará usar toda a sua inteligência para resolver um mistério cheio de camadas e reviravoltas.

Em O Voo da Libélula, o leitor é guiado pela escrita do detetive enquanto acompanha a angustiada busca de uma garota por sua identidade.