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？

為了讓扭傷腳的柯南療養腳傷，大伙兒一起來到城崎溫泉，然而，小蘭卻突然失蹤，柯南從光彥他們所拍的照片上看到小蘭和一個小女孩在一起，同時照片上還出現了一個行蹤可疑的男人。這時，柯南他們遇到了服部，他受人委托前來找一個叫陽菜的女孩，而她正是和小蘭在一起的那個孩子。據陽菜的父親周平所說，在陽菜失蹤的同時他美術館里的展品彩虹之子也不翼而飛。就在大家四處進行尋找時，陽菜和小蘭遇到了危險。

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。

園子的網球教練后藤貴雄即將參加比賽，為了給他加油打氣，園子和小蘭來到了北輕井沢，柯南去廁所的時候，發現后藤與兩名女生糾纏不清。沒想到他在和園子進行男女混合雙打時突然昏倒在球場上，警方介入調查并初步斷定后藤被人下了毒，由于鑒識人員在園子手套上檢測出毒物反應，所以山村警官認定園子就是兇手，為幫園子洗清冤屈，柯南又會有何行動？

服部把和葉的護身符錯交給了國末照明，為了要回裝有服部照片的護身符，二人到東京。他們找到國末的朋友并隨他來到一家運動咖啡館，不想國末卻在廁所里被人毆打昏迷不醒。于是，柯南、服部和高木警官一起展開調查，他們把嫌疑人的范圍縮小到三個人，并推斷國末白天觀看的比賽和這起事件有密切關系，可是他看的到底是什么比賽？這三個嫌疑人的證詞中又隱藏著什么線索？