小五郎因為中了彩票帶著小蘭和柯南一起享受可以在南紀白濱住上一晚的旅行，并在那里結識了寫生旅行的醫科大學學生新莊真紀，由良達彥，宮原加奈子，藤浩太，三井元，五人之間似乎有著復雜的關系。第二天毛利他們偶然遇見了藤浩。正巧慌張的三井給藤浩的手機打來了電話說三段壁的樹林里發現真紀胸口中刀被殺。而柯南發現散落在現場鑰匙的疑點。

柯南眾人手表雖然找到了，但在護田家看MP4電影的出月被殺害了。柯南確信護田就是兇手，在調查了錄影帶機附近之后終于找到犯人利用錄影帶機而用花瓶砸暈出月的事實。而與此同時警局內有關毛利的卷宗全部被翻閱過的事實讓柯南驚覺自己是不是被黑衣人組織再次盯上了。在解決時間之后柯南匆忙回到事務所發現屋內空無一人原來只是虛驚一場。

雖然對現場進行了調查，但警方無論如何都找不到決定性的證據，束手無策之時，小五郎提出了他的自殺論，并且得到了目暮警官的認同，就在警方準備以自殺結案時，話劇中的黑衣騎士突然出現，在否定了自殺論之后，他摘掉面具，而面具下面正是那張讓小蘭朝思暮想的面容，沒錯，真正的工藤新一登場，在進行了一番精彩絕倫的推理后，他卻再次昏倒……

小五郎帶著小蘭和柯南來到“黃昏別館”，途中還偶遇了同是偵探的千間降代，當他們到達之后才發現，此次受邀前來的茂木遙史、大上祝善、槍田郁美和白馬探都是名偵探，而在這棟別墅內隨處可見陳年的血跡。在晚宴上，本以為能一睹這位別墅主人尊容的各位偵探卻掃興的發現，他居然頭戴面罩，并且還阻斷了所有道路，要求偵探們在這棟孤立無援的別墅內幫他尋找寶藏。

小五郎等人在去海豚樂園的路上，遇到了幾位正在進行大學同學聚會的女子。為了接另一位大學同學，他們一起前往海豚樂園飯店卻意外發現她們等待已久的藤村直美被殺害了。經過調查之后柯南確認了兇手的身份并向大家演示了兇手利用雪糕的犯罪手法。再自己留下的證據面前，兇手最終承認了罪行。