少年偵探隊為準備兒童大會要表演的布偶戲，隨一個叫海部大學生去霧之丘高原進行特訓，可是當晚柯南發現同他們一起來的小朋友和相應的布偶都不見了，就在柯南和光彥去二樓進行調查的時候，元太和步美也突然失去了蹤影，因為電話線被不明人士割斷，兩人跑到離這里最近的另一家民宿，卻看到……

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。

柯南、小蘭和園子一起在天臺上等待看流星，和他們一起的還有三個東都大學研究所的學生，期間，野中和秋本去對面的電視轉播塔進行攝影，臨走前秋本告訴他們會有人造衛星經過，讓他們注意觀測。過了一會，秋本從轉播塔那邊回來，留下野中一人攝影，就在大家看向對面的時候，野中從塔上墜落，趕到現場后，他已氣絕身亡，這到底是意外事故還是有人蓄意謀殺？

在吞口重彥被殺的瞬間柯南撿到了一條紫色的手帕，之后又發現了一個破碎的美術燈吊環，根據這兩條線索柯南展開了調查，可沒想到調查期間灰原卻被不明人士帶走，柯南以眼鏡為媒介聯系到灰原，得知她被關在了飯店內的一個酒窖里，柯南讓灰原喝下老白干，這時，在飯店外面的柯南卻看到了金恩，而在酒窖的灰原身體也正在發生變化。

和葉被人帶走不知去向，與此同時，柯南、服部和小五郎三人正對信一的死亡現場進行調查，期間，女傭鹽谷給他們送來宵并講述了三年前所發生的事情。當得知和葉被人擄走消息后，大家分頭尋找，最終在倉庫里找到了纏滿細線的和葉，所幸生命沒有受到威脅。之后，柯南和服部又發現了襲擊和葉用的電擊棒和BB彈，再次返回案發現場又找了新的線索，兇手就是那個人沒錯！