Num trailer pequeno e em mau estado, no nordeste do estado norte-americano de Oregon, uma moça vê a Virgem Maria na paisagem de um quadro comum pendurado na parede de seu quarto. Após enfrentar o ceticismo da paróquia local, o caso é considerado oficialmente "sob investigação" pela diocese católica. 
O jornalista norte-americano Randall Sullivan quis saber exatamente como eram conduzidas as investigações oficiais sobre um incidente desse tipo; começou então a entrevistar teólogos, historiadores e postuladores da Sagrada Congregação para as Causas dos Santos. Esses homens, apelidados por Sullivan de "detetives de milagres", haviam recebido do Vaticano o encargo de testar os milagres e julgar o que de fato era sagrado.
Baseado em extensas pesquisas e escrito em um estilo digno dos mais intrigantes mistérios policiais, O Detetive de Milagres ultrapassa a esfera puramente religiosa e conduz uma reflexão sobre o mistério da comunicação direta entre o homem e a divindade.
Para descobrir o que há por trás desses acontecimentos, e qual o processo pelo qual eles são validados ou refutados, Randall Sullivan viaja do Vaticano aos Estados Unidos, passando pela antiga Iugoslávia. Lá, na mítica aldeia de Medjugorje - palco de repetidas aparições da Virgem -, conduz um longo e aprofundado estudo sobre a origem e os desdobramentos das visões.
A pesquisa de Sullivan transforma-se então em uma jornada pessoal, que o conduz das salas do Vaticano, onde o papa João Paulo II se incluía entre os numerosos devotos do que ocorria em Medjugorje, a Scottsdale, no Arizona, lugar dos maiores e mais controvertidos exemplos de visões da Virgem Maria. Ela culmina com uma investigação de oito anos sobre previsões de acontecimentos apocalípticos, falsas afirmações de revelações, e a busca de uma verdadeira teofania - ou seja, de uma interface definitiva entre o homem e Deus.