På en bensinstation i Gävle har en ung kvinna bundit fast en man och hällt tändvätska över honom. Med ett leende släpper hon en brinnande tändare i hans knä. Samma dag sker ännu ett bestialiskt mord, även det utfört av en ung kvinna. De två kvinnorna verkar inte ha något gemensamt, inte mer än att de båda är övertygade om att de inte längre lever.

Ambulanssjuksköterskan Erik Sandström är på plats i samband med morden. Det är också ordningspolisen Patrik Andréasson. Deras gemensamme vän, den udda karaktären Tomas Svensson, intresserar sig för fallen. Det finns något där som påminner honom om hans förflutna, något som han trodde var begravt. Men ingenting i det förflutna får vila och den som redan tror sig vara död har inget att förlora.

Mademoiselle X är den tionde fristående boken om Erik Sandström. Tillsammans med sin vän Patrik Andréasson och den udda figuren Tomas Svensson tar han sig an ytterligare ett kriminalfall med Gävle som brottsplats.