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(hào)，在通過隧道的時(shí)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(fā)現(xiàn)了疑似歹徒的男人，這宗命案的過程簡(jiǎn)直跟柯南的爸爸工藤優(yōu)作一篇未發(fā)表的推理小說一模一樣，期間一個(gè)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。

就在警察找不到任何線索想要以自殺結(jié)案時(shí)，柯南把在案發(fā)第一現(xiàn)場(chǎng)找到的領(lǐng)帶別針交給警方，這就推翻了自殺的說法，但想要抓到兇手，還需要找到更加有決定性的證據(jù)。這時(shí)，柯南注意到了在案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的繩子，他突然想到什么，就跑到旁邊的枯井，一切不出他所料，兇手就是那個(gè)人，他再次將小五郎麻醉，揭秘流傳至今的五重塔傳說以及兇手！

學(xué)校里最近發(fā)生了很多詭異的事情，而且教導(dǎo)主任在沒請(qǐng)假的情況下也消失了好幾天，當(dāng)柯南向老師和校長(zhǎng)問及此事時(shí)，大家也都避而不語(yǔ)，為調(diào)查真相少年偵探團(tuán)夜探帝丹小學(xué)，附有學(xué)生名字的娃娃，移動(dòng)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(jí)里突然出現(xiàn)的十幾個(gè)黑影，雖然這一切看似撲朔迷離，但是真相只有一個(gè)。

雖然現(xiàn)在清楚了兇手的犯案手法，但還是不能將犯人鎖定在一個(gè)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(nèi)部都發(fā)現(xiàn)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(jīng)過推斷，他已經(jīng)知道了真相，就在這時(shí)，小五郎卻叫來所有人，說他已經(jīng)知道了誰(shuí)是真兇！

為了找尋灰原存有藥物資料的磁盤，柯南一行找到了她姐姐明美的老師廣田教授，趕到時(shí)卻發(fā)現(xiàn)教授死在一個(gè)密封的室內(nèi)，經(jīng)過鑒識(shí)認(rèn)定是后腦勺遭到重物撞擊而死，但這其實(shí)是一件蓄意殺人案，可疑人物鎖定在白倉(cāng)、細(xì)矢和盛岡三人身上，就在柯南的推理遇到瓶頸時(shí)，灰原的一句話點(diǎn)醒了他，他用阿笠博士的聲音道出真相。