白鳥警官記憶中的少女小林老師在煙火大會的夜晚目擊了一場謀殺案件，作為證人的她向白鳥警官提供了三條線索即兇手和死者爭執的聲音、疑似搬家公司的貨車以及兇手的背影，在警局接受偵訊的期間，小林老師無意中得知白鳥警官曾追求過和自己很像的佐藤警官，這個消息沉重打擊了小林老師，難道自己只是佐藤警官的替身？抱有這樣想法的她該如何面對白鳥警官。

警察并沒有在三個嫌疑人的家中發現有同款紐扣的衣服，而且在三天的酉日集市期間，他們都有無法連續犯案的證明，這時有消息說被害人益子蘇醒，然而他卻表示自己完全不記得在昏倒前所留下的線索。因為掌握不到確實的證據，警察只好讓嫌疑人先行離開，柯南推理遭遇瓶頸，這時，小蘭、園子和小五郎的談話給了他啟示，兇手就是那個人！

這天小五郎帶著柯南和小南外吃吃飯，回家的途中遇到故意向須坂和中北的汽車，柯南用自己的充氣足球阻止了再次撞向兩人的汽車。作為答謝片寄邀請小五郎一行來到家里，而小五郎他們在門口碰到了發生口角的野笛和荻人。柯南和中北一起在院子里玩耍時發現倒地身亡的片寄爺爺！而在調查過程中須坂拿出了老爺讓保管的鑰匙，而盒子里留下的卻是一封暗號信。

案件終于有了眉目，就在柯南和大和針對謎題展開討論時，高明從昏迷中蘇醒，三人一起計劃了一出空城計。他們故意對三個嫌疑人放出關鍵信息，引誘他前去直木司郎家找重要的證據，果然不所料兇手暗中潛伏在直木司郎家附近，為了讓狡猾的他放松警惕，柯南聯合小蘭、大和等人上演了一場能證明周遭沒有警察的犯罪戲碼，引誘兇手自投羅網。

在咖啡廳進行調查的時候，柯南提醒警方和小五郎，他們曾見到的久瀨或許并不是她本人，這時，莊堂提議帶他們去久瀨買洋裝的服裝店，并證實了久瀨一個人來買衣服的事實，加之在咖啡廳打碎的杯子上檢測到久瀨的指紋，這些無疑都成了莊堂無法犯案的證明，然而，不論計劃多么嚴密，都無法瞞過柯南的眼睛，他將喋喋不休的小五郎麻醉并躲在柜臺后面道出了真相。