阿笠博士帶少年偵探團到野外去露營，可卻在回程的途中在森林里迷路，誤打誤撞來到了一個被森林環繞的古堡，所幸主人很熱情的邀請大家入住古堡，然而住在里面的間宮家族好像隱藏這什么秘密，之后，柯南在房間的密室里發現一具骷髏，就在這時，有人從背后將他打暈。

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！

柯南，小蘭和小五郎一行三人搭乘開往北海道的特快列車北斗星三號，在通過隧道的時候珠寶商人出云被人槍殺，兇手將車窗射穿跳出車外逃跑，之后警方又在隧道之中發現了疑似歹徒的男人，這宗命案的過程簡直跟柯南的爸爸工藤優作一篇未發表的推理小說一模一樣，期間一個言行奇怪的女人引起的柯南的注意，在柯南揭穿她的謊言后，她終于暴露了身份。

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！

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！