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，趕到時卻發現教授死在一個密封的室內，經過鑒識認定是后腦勺遭到重物撞擊而死，但這其實是一件蓄意殺人案，可疑人物鎖定在白倉、細矢和盛岡三人身上，就在柯南的推理遇到瓶頸時，灰原的一句話點醒了他，他用阿笠博士的聲音道出真相。

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。

光彥說他看到友里百合子在廁所前拼命擦眼淚，這雖然讓大家大吃一驚，但是百合子說自己只是去廁所調整隱形眼鏡而已，這說法合情合理，可柯南總覺得還有疑點，之后灰原一句無意的話語讓柯南終于明白了事情的真相，于是，他急忙的跑去作案現場找到了證據，正巧阿笠博士也趕來接他們，柯南就借阿笠博士之口并重演兇手在放映室的殺人手法，將兇手繩之以法。

小五郎受學生時代認識的房東太太宗田光江之托，開導她最近不知為何事而消沉的孫子阿真，數次敲門無人回應，光江用備份鑰匙把門打開，卻發現屋內一片狼藉，而且墻壁上還涂滿了用紅色蠟筆畫的線，大家在浴室發現了割腕而死的阿真，光江讓柯南找來醫科大學的房客城戶，但已經為時已晚，小五郎斷定這是自殺案件，但光江和柯南卻認為是被人抹殺，這時，大家注意到了在建筑模型里的鑰匙，也就是說這是密室殺人事件！

在醫院醒過來的小蘭看到麻美平安無事便和園子一起出去買東西，但等她們回來之后卻發現麻美不見了。另一邊，柯南還在為找出事故原因向消防員詢問現場狀況，并下山去沢井等人去的便利商店詢問當時他們買東西的場景，在老板指出有一人行動奇怪后，柯南便知道了放火就是那個人！