靜岡縣的橫溝警官特地找到小五郎拜托他調查一起怪異的案件，此次案件的受害者是演員小宮山，雖然被害者只有一名，但是前來自首說自己是兇手的卻有三人并且這幾人都有理有據的說出了自己的動機和行兇方式，由于事情緊急，橫溝希望小五郎可以盡快做出推理。趕到案發現場時，柯南再次對證人進行詢問，并得知了事情的真相，兇手是自首三人中的一人？還是另有神秘四人？

柯南向大家分析兇手是有目的的要殺某個人，這時，警察說他們在木柴那里找到了一盒磁帶和包有雨衣的兇器，聽過磁帶之后，柯南揭穿了想要殺死義房的兇手敬子，但當問及真知子的死亡時，敬子卻矢口否認，柯南說兇手確實不是敬子而是另有其人，還沒待他講完案件，那個鬼鬼祟祟的墨鏡男出現了，他居然是……

小五郎受推理迷林雅人之邀去米花町水族館觀看表演，沒想到在表演現場卻發生了命案，死者是女演員大沢美智子，警方在調查中發現大沢的膝蓋處有貼布，詢問了同事后得知，她的腿偶爾會疼痛，并且在檢查了控制室和蚌殼裝置沒發現異樣后，推斷出大沢死于意外，然而，跟著警方一起調查的柯南還是發現了蛛絲馬跡，認為這是一件有預謀的殺人案件。

雖然少年偵探團被發現且命懸一線，不過幸好柯南及時趕到，大家得以解救，至于這個黑衣女人根本不是組織里的人。回家的路上，灰原識破柯南的身份并說自己是黑衣組織的人，而阿笠博士現在已經……，聽到這些，柯南匆忙趕去博士家卻發現博士安然無恙，而這時灰原也回到家，原來她因為姐姐的事情已經背叛了組織并且服用了和柯南一樣的藥讓身體變小，走投無路之下來到工藤家，被博士發現而收留。

為了找尋灰原存有藥物資料的磁盤，柯南一行找到了她姐姐明美的老師廣田教授，趕到時卻發現教授死在一個密封的室內，經過鑒識認定是后腦勺遭到重物撞擊而死，但這其實是一件蓄意殺人案，可疑人物鎖定在白倉、細矢和盛岡三人身上，就在柯南的推理遇到瓶頸時，灰原的一句話點醒了他，他用阿笠博士的聲音道出真相。