學校里最近發生了很多詭異的事情，而且教導主任在沒請假的情況下也消失了好幾天，當柯南向老師和校長問及此事時，大家也都避而不語，為調查真相少年偵探團夜探帝丹小學，附有學生名字的娃娃，移動的人體模型，窗戶后面的黑影，樓梯上的煙霧和扶手上的紅色顏料，以及自己班級里突然出現的十幾個黑影，雖然這一切看似撲朔迷離，但是真相只有一個。

少年偵探隊為準備兒童大會要表演的布偶戲，隨一個叫海部大學生去霧之丘高原進行特訓，可是當晚柯南發現同他們一起來的小朋友和相應的布偶都不見了，就在柯南和光彥去二樓進行調查的時候，元太和步美也突然失去了蹤影，因為電話線被不明人士割斷，兩人跑到離這里最近的另一家民宿，卻看到……

找到兇器成了破案的關鍵，小五郎發現抽屜里的冰鎬少了一根，加之對大家物品的檢查認定矢代就是兇手，可是柯南卻發現消失的冰鎬被用來固定植物了，繼而小五郎又認定上森的兒媳熏兇手，熏指出這里的每個人都有殺人動機并否定自己是兇手，到底誰是兇手呢？這時，柯南從目暮警官和小五郎的談話中得到啟示，找到兇器之后，沒錯，兇手就是那個人！

尸體被燒焦，根本無法辨識他的身份，只能從穿著姑且判斷是蟹江，柯南發現這具尸體整過容，并推斷出龜田和鯨井也是葉才三搶劫殺人案的同伙，當大伙趕到龜田的房間時，卻發現他也消失不見了，柯南和服部推理出現分歧兩人決定各自行動，可在調查期間服部遭遇危險，沒過一會兒，甲板上再次響起槍聲，心虛的鯨井決定交代一切，這時，鯨井突然被不明人士射傷，鮫崎趕到甲板時卻看到……

柯南用自己的方式證實了義房身份并未偽造，經過院子的時候，廣美和有希子談起了15年前自己母親從這里落井死亡的事，突然，柯南看到了木門那邊有個可疑人影。當晚，大家輪流洗澡時，去外面加柴的廣美發出叫聲，她看到了可疑人影，并在古井發現了二媽真知子的尸體，而家里的汽車也莫名被停到了森林。這時，藪內家的律師趕來宣讀遺囑，期間，義房差點被人蓄意設計的十字弓殺死。