柯南的班級轉來了一個叫灰原哀的女生，而同一天少年偵探隊也收到了同校俊野幫忙找哥哥的委托，大家一起去俊野家進行調查，發現了一張夏目漱石的肖像畫，俊野說曾有一個黑衣女人很賞識這幅畫，聽到這些，柯南馬上聯想到了黑衣組織，便急忙帶領偵探隊走街串巷的尋找線索，期間，在便利店遇到的一個使用假錢的男子引起他的注意，于是，一路尾隨，推理出了這名男子的去向。

小蘭和柯南潛水的時候，發現了一名女子的尸體，鎮上的驗尸醫生田中認為這是一起自殺事件，但被害人的朋友卻口口聲聲說一定是田中殺的，原來田中為和院長女兒訂婚而拋棄了死者，雖然田中的嫌疑最大，但是他卻有不在場證明，小五郎干著急沒辦法，而柯南則從撿垃圾的爺爺那里找到了一個破洞的游泳圈，并用空瓶子做了個簡單試驗，犯人的手法他已完全明白。

小五郎和朋友分開，一個人醉醺醺的在街上游蕩時，碰到了有過幾面之緣的佐知子，她邀請小五郎和她一起兜風，之后，小五郎在送佐知子回到家時，發現她的室友和美被殺，最有可能的人就是佐知子，但是她當時和小五郎在一起，有充分的不在場證明，那么到底是時間的錯亂？還是兇手另有其人？

雖然少年偵探團被發現且命懸一線，不過幸好柯南及時趕到，大家得以解救，至于這個黑衣女人根本不是組織里的人。回家的路上，灰原識破柯南的身份并說自己是黑衣組織的人，而阿笠博士現在已經……，聽到這些，柯南匆忙趕去博士家卻發現博士安然無恙，而這時灰原也回到家，原來她因為姐姐的事情已經背叛了組織并且服用了和柯南一樣的藥讓身體變小，走投無路之下來到工藤家，被博士發現而收留。

大樓下面已經被記者圍堵，目暮警官讓小五郎暫時引開記者的注意，自己好帶土方幸三郎和沖田離開，就在小五郎對記者透漏兇手是沖田時，柯南將他麻醉重新進行了推理，并指出兇手另有其人，而這個人就是正在警方掩護下準備離開的……柯南當著所有媒體的面揭穿了兇手并用找到的有力證據讓他認罪。