柯南等人在來自英國的戴安娜女士的邀請下一起前往倫敦旅行，為了通過關卡，柯南利用灰原的藥暫時恢復工藤新一的身份。到達英國后，柯南興奮的來到福爾摩斯博物館參觀，期間遇到了著名網球選手格拉斯的弟弟阿波羅，柯南以福爾摩斯徒弟的身份從他的口中得知有一名可疑男子給了他一張奇怪的字條，并告訴他將有人死在他的面前，這個男子的目的是什么？字條的內容又有何含義？

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？

從昏迷中醒來的陽菜趁父母爭吵之際悄悄溜出醫院，按照歹徒的指示去拿彩虹之子，而這一切都在柯南的預計范圍內，他讓服部暗中進行追蹤，期間，小蘭用她撿到的步美的徽章聯系上了少年偵探團并暗示她所在的地點，雖然歹徒發現了服部等人，但柯南還是找到了陽菜和歹徒要去的地方，見勢不妙想要逃跑的歹徒被得到救援的小蘭一招制服，然而，幕后的指使者卻另有其人。

柯南和小蘭在東都環狀線列車上遇見了一位見義勇為的老人，然而，沒想到當他們再次見面時卻是在殺人現場，死者是詐騙集團的通緝犯，而這位名叫法月的老人正是此案的目擊證人，他說自己曾看到同是詐騙犯的桐谷出沒案發現場，但桐谷卻大喊冤屈，期間，柯南察覺到老先生法月的證詞有疑點，深入調查后，真相果然如他料想一般。

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！