Raymond Deblain, célibataire invétéré, épouse la belle Rhéa au cours d'un voyage d'affaires en Amérique. Elle est la fille d'Elias Panton, un riche industriel de Philadelphie.

À son retour en France, il la présente à son ami et voisin, le docteur Plemen, éminent médecin de la ville de Vermel.

Rhéa, quant à elle, s'intègre rapidement dans la société provinciale suscitant admiration et jalousie. Peu de temps après, sa sœur Jenny, mariée à son tour, vient les rejoindre. Le couple Deblain vit heureux, mais un jour, Raymond est trouvé mort dans son lit.

Après examen du corps, le docteur Plemen conclut à un assassinat par empoisonnement.

Le Cas du Docteur Plemen est le troisième et dernier volet de Mémoires d’un détective.