柯南，小蘭和小五郎一行三人搭乘開往北海道的特快列車北斗星三號，在通過隧道的時候珠寶商人出云被人槍殺，兇手將車窗射穿跳出車外逃跑，之后警方又在隧道之中發現了疑似歹徒的男人，這宗命案的過程簡直跟柯南的爸爸工藤優作一篇未發表的推理小說一模一樣，期間一個言行奇怪的女人引起的柯南的注意，在柯南揭穿她的謊言后，她終于暴露了身份。

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……

小五郎帶小蘭和柯南去日賣樂園游玩，正好碰上劇場演出，假面超人的表演橫跨整個樂園，可就在他表演從高空彈跳的動作時，腳踝的橡皮突然斷裂，假面超人的表演者西野掉落河中而死，這起案件乍一看是意外，但柯南注意到橡皮有灼燒的痕跡并非自然斷裂，于是推斷出這是謀殺，在對案發現場進行調查和相關人員的偵訊后，兇手浮出水面！

新一要求在次對嫌犯的物品進行搜查，可依舊沒有發現可疑物品，之后，新一在鷺沼的座位上發現了底片的碎片，并將所有人的證詞、座位上的底片、墻壁上的血漬和被害人口袋被弄濕都串成了一線，雖然鷺沼的嫌疑最大，但新一卻說兇手不是他，因為他被真兇所利用，推理一步步接近真相，讓大家出乎意料的是兇手居然是……

原來這個叫葉才三的人，就是二十年前「四億元強盜殺人案」的主謀，鮫崎和小武郎急忙趕到葉才三所在的101號房卻發現屋內空無一人，反而吵醒了睡在隔壁的服部，之后，大家找遍交響樂號也沒有發現葉才三的身影，如果挨過今晚，法律將不再追訴他們二十年前所犯下的罪行，葉才三和他的同伙也將恢復自由之身。十二點之后，甲板上傳出槍聲旗子也被人點燃，柯南發現了一張寫有奇怪語句的紙鈔，這時，船尾發生爆炸，而在這熊熊大火之中，隱約可見一具尸體。