小蘭的班上轉來了一個叫伊東玉之助學生，受到他的邀請小蘭和柯南一行人來到他的劇團參觀排練過程，柯南發現成員之間似乎有什么問題，沒過多久一樁殺人案件發生了，案發時所有人正好都在舞臺排練，而且柯南等人就坐在觀眾席，那個逃過柯南和劇團人視線犯案的兇手應該就在其中。

小五郎受學生時代認識的房東太太宗田光江之托，開導她最近不知為何事而消沉的孫子阿真，數次敲門無人回應，光江用備份鑰匙把門打開，卻發現屋內一片狼藉，而且墻壁上還涂滿了用紅色蠟筆畫的線，大家在浴室發現了割腕而死的阿真，光江讓柯南找來醫科大學的房客城戶，但已經為時已晚，小五郎斷定這是自殺案件，但光江和柯南卻認為是被人抹殺，這時，大家注意到了在建筑模型里的鑰匙，也就是說這是密室殺人事件！

在醫院醒過來的小蘭看到麻美平安無事便和園子一起出去買東西，但等她們回來之后卻發現麻美不見了。另一邊，柯南還在為找出事故原因向消防員詢問現場狀況，并下山去沢井等人去的便利商店詢問當時他們買東西的場景，在老板指出有一人行動奇怪后，柯南便知道了放火就是那個人！

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。

在某頒獎典禮上，攝影師柳瀨因抓拍到火災現場而獲獎，但記者中井突然說了一些莫名其妙的話，還往柳瀨身上撒了石灰粉。之后，中井給事務所打來電話，說自己將要被殺但話還沒說完就被迫中斷，柯南匆忙趕到時，中井的家中已經失火，巧合的是，柳瀨就在對面拍照片，柯南知道這是有人蓄意為之，他請阿笠博士幫忙找到證據后，在節目的錄制現場借小五郎之口揭露真相。