根據巖石上的暗號以及死者潛水表上刻意抹去的字，步美、光彥和元太三人展開了討論，雖然沒有揭示出這些信息的含義但柯南和沖矢昴卻從他們那里得到了啟示，就在與死者一起潛水的三個同伴吵鬧著要離開一角巖時，警察卻在柯南的提醒下找到了殺人犯，沒想到兇手竟然以步美為人質想要逃脫抓捕，所幸沖矢昴出手相救，然而這個成為大家英雄的人卻總給灰原一種無形的壓迫感。

來到倫敦的柯南不小心以新一的身份向小蘭暴露在倫敦的事實，而此時柯南喝下了回國用的解毒劑暫時以新一的身份出現！在繼續調查的過程中小蘭從以前新一說過的話中得到啟發發現了人偶的秘密。而之后通過與新一電話中發現了更多的線索。這時小蘭和小五郎碰到了米奈芭小姐，在米奈芭和弟弟阿波羅的協助下小蘭留在教堂的紙片，而上面寫著的就是接下來的線索。

阿笠博士帶少年偵探團來到一家位于箱根的溫泉旅館，那里正好在進行《血殷殺手》系列最新作品的拍攝，因此，大家結識了劇作家鐵山巖治、女主角名取深汐、經紀人丹沢純作以及男主角寺堂云平。次日，元太他們一起去湖上露天溫泉的時候，卻在女湯發現了鐵山巖治的尸體，從現場來看兇手應該是在發案之后趁機混入了騷動之中，調查之后，警方將嫌疑鎖定在深汐、丹沢、寺堂三人中。

為了讓扭傷腳的柯南療養腳傷，大伙兒一起來到城崎溫泉，然而，小蘭卻突然失蹤，柯南從光彥他們所拍的照片上看到小蘭和一個小女孩在一起，同時照片上還出現了一個行蹤可疑的男人。這時，柯南他們遇到了服部，他受人委托前來找一個叫陽菜的女孩，而她正是和小蘭在一起的那個孩子。據陽菜的父親周平所說，在陽菜失蹤的同時他美術館里的展品彩虹之子也不翼而飛。就在大家四處進行尋找時，陽菜和小蘭遇到了危險。

在警方對三名嫌疑人進行偵訊時，他們三人反而相互指責并揭露對方的犯案動機，這時，有人在更衣室內發現了一個空瓶子，另外在湖面上還有漂浮的火柴棒，為了弄清真相，警方又找來工作人員進行對峙，然而，他們卻表示并未發現異樣，期間，女主演深汐的一句話點醒了柯南，在他的引導下，大家得知一整夜都呆在溫泉里的人并不是兇手而是死者本人，那么，兇手到底是誰？在他的身上又有怎樣的關鍵性證據？