小蘭的班上轉來了一個叫伊東玉之助學生，受到他的邀請小蘭和柯南一行人來到他的劇團參觀排練過程，柯南發現成員之間似乎有什么問題，沒過多久一樁殺人案件發生了，案發時所有人正好都在舞臺排練，而且柯南等人就坐在觀眾席，那個逃過柯南和劇團人視線犯案的兇手應該就在其中。

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。

馬上趕到增尾家的眾人發現增尾的妻子已經被殺害了。看似是強盜殺人的事件中柯南卻從中發現了疑點，經過推理最終發現了犯人的犯罪手法在。在柯南的提醒下高木警官揭露了犯人的騙局。另一方面佐藤警官拒絕了白鳥警部的邀請轉而邀請高木警官一同吃飯就在這時出現的暮目警官卻讓高木產生了誤會。

玉之助半夜悄悄出門，妹妹小惠和柯南暗中跟蹤到了劇團，兩人剛進劇團就在舞臺上發現了被人打昏了玉之助和劇團經理系江的尸體，而她的身邊有一張紙條和許多木屑。雖然玉之助昏迷但是他卻被認定為重要嫌犯，當柯南再次來舞臺調查時，他突然想到了什么便匆忙趕往醫院，并通知警方好好保護玉之助，犯人果真去了醫院，但他身手靈敏，躲過了警察的追捕，沒錯，這個人就是半年前消失的江戶小子！

金恩離開酒窖后，躲在煙囪中的灰原則依靠她變大的身體，爬到屋頂，然而剛給博士報完平安，她的身后就響起了槍聲，原來在酒窖里的時候金恩就發現了她。而另一邊，柯南也得知了殺害吞口重彥的兇手，也就是代號匹斯可的真實身份，在調查清楚灰原所在的位置后，柯南飛速趕到，就在金恩準備射殺灰原時，柯南向金恩發射了一枚麻醉針，灰原趁機從煙囪返回酒窖，豈料待她蘇醒過來匹斯可已出現在她的面前……