來到倫敦的柯南不小心以新一的身份向小蘭暴露在倫敦的事實，而此時柯南喝下了回國用的解毒劑暫時以新一的身份出現！在繼續調查的過程中小蘭從以前新一說過的話中得到啟發發現了人偶的秘密。而之后通過與新一電話中發現了更多的線索。這時小蘭和小五郎碰到了米奈芭小姐，在米奈芭和弟弟阿波羅的協助下小蘭留在教堂的紙片，而上面寫著的就是接下來的線索。

從昏迷中醒來的陽菜趁父母爭吵之際悄悄溜出醫院，按照歹徒的指示去拿彩虹之子，而這一切都在柯南的預計范圍內，他讓服部暗中進行追蹤，期間，小蘭用她撿到的步美的徽章聯系上了少年偵探團并暗示她所在的地點，雖然歹徒發現了服部等人，但柯南還是找到了陽菜和歹徒要去的地方，見勢不妙想要逃跑的歹徒被得到救援的小蘭一招制服，然而，幕后的指使者卻另有其人。

警察并沒有在三個嫌疑人的家中發現有同款紐扣的衣服，而且在三天的酉日集市期間，他們都有無法連續犯案的證明，這時有消息說被害人益子蘇醒，然而他卻表示自己完全不記得在昏倒前所留下的線索。因為掌握不到確實的證據，警察只好讓嫌疑人先行離開，柯南推理遭遇瓶頸，這時，小蘭、園子和小五郎的談話給了他啟示，兇手就是那個人！

這天小五郎帶著柯南和小南外吃吃飯，回家的途中遇到故意向須坂和中北的汽車，柯南用自己的充氣足球阻止了再次撞向兩人的汽車。作為答謝片寄邀請小五郎一行來到家里，而小五郎他們在門口碰到了發生口角的野笛和荻人。柯南和中北一起在院子里玩耍時發現倒地身亡的片寄爺爺！而在調查過程中須坂拿出了老爺讓保管的鑰匙，而盒子里留下的卻是一封暗號信。

小五郎帶柯南和小蘭去菜園屋頂的時候，發現了其中一塊菜田主人中村的尸體，表面上看像是因為腳底打滑磕到了后腦勺的意外死亡，但柯南察覺到了其中的蹊蹺，警察找來屋頂菜園的其他三名種植者進行偵訊，每個人都沒有不在場的證明，并且其中一人的供詞卻引起了柯南的注意，當大伙兒再次來到菜園進行現場調查時，柯南發現了一塊奇怪的磚頭，而這無疑是找出兇手的關鍵線索。