少年偵探隊為準備兒童大會要表演的布偶戲，隨一個叫海部大學生去霧之丘高原進行特訓，可是當晚柯南發現同他們一起來的小朋友和相應的布偶都不見了，就在柯南和光彥去二樓進行調查的時候，元太和步美也突然失去了蹤影，因為電話線被不明人士割斷，兩人跑到離這里最近的另一家民宿，卻看到……

因為以全場觀眾為人質，歹徒更加猖狂，在帶走了五千萬元之后，又要求在比賽結束前追加十億元，否則就射殺觀眾，他還揭露出了隱藏在人群中的警察并讓他們撤離。雖然暮目警官趁著歹徒打電話的機會讓在現場的警察搜尋可疑人士，但卻一無所獲，歹徒到底是怎么打電話且同時觀察觀眾席上的動靜呢？又是如何避開大家的耳目呢？

柯南和從便利商店調查回來的高木警官交談的時候，注意到了門上的血，這時，美菜的未婚夫也帶病趕來，他說自己曾來找過美菜，但在門外等了半天也沒人開門，根據這些信息柯南知道了兇手誰以及她所謂的密室手法。但案件還未查清，小五郎就急著要去看演唱會，柯南看準時機將他麻醉，用變聲領結說出真相。

尸體被燒焦，根本無法辨識他的身份，只能從穿著姑且判斷是蟹江，柯南發現這具尸體整過容，并推斷出龜田和鯨井也是葉才三搶劫殺人案的同伙，當大伙趕到龜田的房間時，卻發現他也消失不見了，柯南和服部推理出現分歧兩人決定各自行動，可在調查期間服部遭遇危險，沒過一會兒，甲板上再次響起槍聲，心虛的鯨井決定交代一切，這時，鯨井突然被不明人士射傷，鮫崎趕到甲板時卻看到……

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。