小五郎因為中了彩票帶著小蘭和柯南一起享受可以在南紀白濱住上一晚的旅行，并在那里結識了寫生旅行的醫科大學學生新莊真紀，由良達彥，宮原加奈子，藤浩太，三井元，五人之間似乎有著復雜的關系。第二天毛利他們偶然遇見了藤浩。正巧慌張的三井給藤浩的手機打來了電話說三段壁的樹林里發現真紀胸口中刀被殺。而柯南發現散落在現場鑰匙的疑點。

小五郎繼續參加預定開始的連句會。句會中八木澤因現場遺落的自己的物品而作為嫌疑犯被捕。聯句中柯南發現連句中隱藏的信息，推理出犯人但最終“沉睡的小五郎”揭穿犯人的不在場證明。原來犯人在連句的時候變寫下了挑釁的“自白”連句。而不在場證據也因為隱藏在灌木叢下的攝像機而失效。而證據便是犯人的鞋子。

小五郎等人在去海豚樂園的路上，遇到了幾位正在進行大學同學聚會的女子。為了接另一位大學同學，他們一起前往海豚樂園飯店卻意外發現她們等待已久的藤村直美被殺害了。經過調查之后柯南確認了兇手的身份并向大家演示了兇手利用雪糕的犯罪手法。再自己留下的證據面前，兇手最終承認了罪行。

在解開頭發的假象之后警方開始全面調查旅館。柯南推理出了犯人的犯罪手法之后提示小五郎和山村刑警發現報紙里登載的相撲戰績的秘密。之后在眾人的設計中兇手露出馬腳被抓現行。而犯案的動機也是因為五年前搶劫案后劫匪之間的分在不均所引起的。雖然犯人一再的否認但遺留在燈上被壓在灰塵之下的指紋卻說明了一切，罪犯最終承認罪行。

神秘女子池波女士尋找的中學同學柴田手里握著照片被殺，小五郎等開始向相關者訊問而柯南也弄明白了柴田手握照片的含義。“沉睡的小五郎”當眾點破了池波女士的眾多謊言但卻判斷兇手另有其人。而兇手留下的鐵證就留在罪犯的手上，鐵證面前犯人最終承認了罪行，但在犯人準備自我了結的時候被池波攔下，而池波女士的身份也最終揭曉。