正在進行的推理游戲卻變成了真正的殺人事件，在列車到達名古屋前柯南他們要在乘客中揪出真正的兇手來，在他們四處尋找線索的時候灰原卻忍受著內心的煎熬。內心忐忑不安的灰原正在受到組織的威脅，組織的黑影已經更近一步接近灰原，她絕對不能以這種摸樣被人殺害。

被初音小姐雇傭的偵探安室透在調查伴場先生時發現了一件事，初音小姐和伴場先生都是從同一間飯店獲救的嬰兒，兩人都是在身份不明的情況下在同一所教會中撫養長大，聽到這些之后的初音非常在意。所有的證據都指向了伴場先生，在車底找到初音小姐掉落指甲的柯南似乎看出了事情的真相，這背后或許有著令人悲傷的事實。

根據綁架犯的做法柯南判斷是熟悉阿笠博士家的人所為，而最近前來查看古董壺的三組人便成了被懷疑的對象，他們所發來的小貓照片是小蘭媽媽上傳的音像，而這一切只是為了帶走步美的借口，因為他們真正的目的是阿笠博士價值連城的波斯地毯。通過阿笠博士對三組人的描述后柯南鎖定了目標，而步美的耳朵和真正地毯上都留有決定性的證據。

在園子的邀請下，柯南、小蘭隨她一起前往杯戶飯店享用“蛋糕吃到飽”，然而在搭公車的途中他們遇到了一位截拳道高手，這位與小蘭勢均力敵的對手到底是什么人？到了杯戶飯店后，得知蛋糕吃到飽餐廳已經截止入場的小蘭和園子大失所望，這時，突然傳來尖叫聲，有一名男子從高處墜樓身亡，目擊人晝川表示樓頂有人影閃過，但當柯南趕到樓頂時卻只發現了外套和鞋子。

社長夫人就好像是在簽名的時候被默默溜進來的幽靈毒害了一樣，就像是寄給服部奇怪信件的人類擅自虛構出來的不正常的存在所下的毒手。門把和拖鞋上所撒的毒粉只是掩人耳目的手段，而饑餓的玉郎也是因為賈斯特羅錯覺選擇了有毒的蛋糕，和高木警官的對話后柯南和服部已經知道了兇手的辦案手法，但他們現在依然缺少決定性的證據。