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。

柯南和從便利商店調查回來的高木警官交談的時候，注意到了門上的血，這時，美菜的未婚夫也帶病趕來，他說自己曾來找過美菜，但在門外等了半天也沒人開門，根據這些信息柯南知道了兇手誰以及她所謂的密室手法。但案件還未查清，小五郎就急著要去看演唱會，柯南看準時機將他麻醉，用變聲領結說出真相。

破解密碼后，元康留下的線索居然是……案件解決之后，小蘭找借口把柯南帶到了工藤家，并戳穿柯南就是新一的身份，這時，工藤的母親有希子從美國回來，在她的幫助下，柯南逃過了小蘭的質問。 次日，有希子帶柯南來到鄉下，原來她是受兒時朋友廣美所托，來鑒別剛從巴西回來的叔父義房的「真假」，晚上，義房說他早就知道大家的懷疑，并從身上拿出一封恐嚇信。

因為以全場觀眾為人質，歹徒更加猖狂，在帶走了五千萬元之后，又要求在比賽結束前追加十億元，否則就射殺觀眾，他還揭露出了隱藏在人群中的警察并讓他們撤離。雖然暮目警官趁著歹徒打電話的機會讓在現場的警察搜尋可疑人士，但卻一無所獲，歹徒到底是怎么打電話且同時觀察觀眾席上的動靜呢？又是如何避開大家的耳目呢？

柯南在死者村西真美家發現了四處疑點，在少年偵探隊的提醒和暗示下，高木終于知道了案件的真相，大家找到真兇用證據讓他承認罪行。而另一邊，杯戶美術館則即將在市民的矚目和阿笠博士的熱帶彩虹炸彈中爆破，可佐藤警官和東田還在美術館內，情況危急，佐藤警官真的會葬身美術館嗎？