少年偵探團一大早搭乘開往米花樂園的電車，當柯南以為沒人和他們一樣時，就來了三個大學生也上了這趟電車，他們是鐵道研究社的，來這里是為了拍攝地上電車的照片，期間，川崎下車去前方拍攝行駛的電車，可就在電車急速向前時，他突然從梯子墜落到鐵軌上，幸虧司機及時剎車，他才得以保住一命，然而大家剛松了一口氣，卻發現堀井橫尸車廂……

雖然少年偵探團被發現且命懸一線，不過幸好柯南及時趕到，大家得以解救，至于這個黑衣女人根本不是組織里的人。回家的路上，灰原識破柯南的身份并說自己是黑衣組織的人，而阿笠博士現在已經……，聽到這些，柯南匆忙趕去博士家卻發現博士安然無恙，而這時灰原也回到家，原來她因為姐姐的事情已經背叛了組織并且服用了和柯南一樣的藥讓身體變小，走投無路之下來到工藤家，被博士發現而收留。

柯南一直到吃晚飯的時候都還不見蹤影，博士去找他時也被不明人士打昏。深夜，不放心博士和柯南的灰原等人決定在古堡進行搜索，然而他們卻沒有發現兇手正悄悄跟在他們后面，大家跟著灰原來到柯南消失的密室，并發現了血跡和石頭上的留言，古堡越來越詭異，之后，光彥和元太也不知了去向，步美和灰原進一步深入古堡，就在她們也發現那具骷髏時，兇手出現。

雖然現在清楚了兇手的犯案手法，但還是不能將犯人鎖定在一個人身上，這四名一同前來的朋友都有犯案的嫌疑，柯南在廁所外面和內部都發現了地上帶有血跡的線條，并且他還從四人的交談中得知半年前因散彈槍走火而死亡的成田，經過推斷，他已經知道了真相，就在這時，小五郎卻叫來所有人，說他已經知道了誰是真兇！

小蘭和柯南潛水的時候，發現了一名女子的尸體，鎮上的驗尸醫生田中認為這是一起自殺事件，但被害人的朋友卻口口聲聲說一定是田中殺的，原來田中為和院長女兒訂婚而拋棄了死者，雖然田中的嫌疑最大，但是他卻有不在場證明，小五郎干著急沒辦法，而柯南則從撿垃圾的爺爺那里找到了一個破洞的游泳圈，并用空瓶子做了個簡單試驗，犯人的手法他已完全明白。