阿笠博士和少年偵探團在河灘看螢火蟲的時候，垂水打電話給運來螢火蟲的中嶺，不想電話的另一邊卻傳來痛苦的呻吟聲，于是大伙兒匆忙驅車趕往事發地點，到達時中嶺已經在自己的車子里停止了呼吸，在他的旁邊還有一瓶有毒的飲料，有四人具有犯案嫌疑小和田道武以及他的女兒小葵、垂水和達馬，就在鳴龍梳理案情時，柯南注意到了元太從垂水車上拿的手電筒，這正是破案的關鍵！

日賣電視臺的特別節目《全國小島先生選手權大賽》即將開始，冠軍將會贏得一千萬元的獎金和一幅價值不菲的水墨畫軸，幸運的是元太的父親經過層層篩選獲得了參加決賽的資格，然而，就在比賽開始之前，主辦者小島權作不知被誰推下了樓梯因而導致死亡，其中能夠使用這個樓梯的人就只有進入決賽的三名小島先生，元太的父親也成為了嫌疑人之一，問題的關鍵是到底誰才是元太的爸爸？

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。

差點被警察發現的柯南和大嶺及時被阿笠博士帶走，之后小五郎也趕到阿笠博士家，聽完柯南的分析，大家決定先找到大嶺當時所使用的空包彈手槍，被柯南找到的手槍成為了大嶺洗清嫌疑的關鍵證據，接下來就是尋找將罪名嫁禍給大嶺的真兇，柯南再次前往遭到槍襲的地下室，并在這里發現了兇手留下的線索，為了讓兇手自己露出馬腳，柯南計劃了一出好戲……

意外的是門把上留下的指紋竟然是諸伏高明警官的部下，為找尋更多線索，大和刻意讓柯南跟著高明警官去曾經住在別館里的翠川尚樹、山吹紹二、百瀨卓人和直木司郎家進行詢問，高明警官謊稱在門把上檢驗出他們的指紋來觀察他們的反應，不所料直木司郎聽說了這件事之后神色緊張，就在大家以為他是兇手，準備進一步進行調查時，直木司郎被人殺死，而他家里的其中一面墻壁被涂成了紅色。