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。

阿笠博士以少年偵探團為對象進行了一場尋寶之旅，舞臺就是阿笠博士的叔叔住的一個別墅，但在他叔叔過世的50年來，這棟本不該有人進出的別墅卻發現有人來過的痕跡，他們還找到了一系列由月亮、星星和太陽組成的古怪暗號，連博士事先藏好的玩具也被人用刀劃壞，這幢別墅一定暗藏玄機。

在吞口重彥被殺的瞬間柯南撿到了一條紫色的手帕，之后又發現了一個破碎的美術燈吊環，根據這兩條線索柯南展開了調查，可沒想到調查期間灰原卻被不明人士帶走，柯南以眼鏡為媒介聯系到灰原，得知她被關在了飯店內的一個酒窖里，柯南讓灰原喝下老白干，這時，在飯店外面的柯南卻看到了金恩，而在酒窖的灰原身體也正在發生變化。

破解密碼后，元康留下的線索居然是……案件解決之后，小蘭找借口把柯南帶到了工藤家，并戳穿柯南就是新一的身份，這時，工藤的母親有希子從美國回來，在她的幫助下，柯南逃過了小蘭的質問。 次日，有希子帶柯南來到鄉下，原來她是受兒時朋友廣美所托，來鑒別剛從巴西回來的叔父義房的「真假」，晚上，義房說他早就知道大家的懷疑，并從身上拿出一封恐嚇信。

次日，暮目警官來到石本的公司詢問案件，石本說出了自己曾被平岡威脅的事，本以為案子就以認定平岡為兇手了結的時候，躲在社長室的柯南發現曾與幸子見面的男子從屋子里拿走了一個遙控器，而這名可疑男子其實是幸子的男朋友柴田健一。小五郎讓所有案件相關人員來到派對現場并說柴田就是兇手，可由于他的錯誤判斷，柯南只好再次將他麻痹以找出真兇。