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(xiàn)！在繼續(xù)調(diào)查的過程中小蘭從以前新一說過的話中得到啟發(fā)發(fā)現(xiàn)了人偶的秘密。而之后通過與新一電話中發(fā)現(xiàn)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(xié)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。

阿笠博士帶少年偵探團(tuán)來到一家位于箱根的溫泉旅館，那里正好在進(jìn)行《血殷殺手》系列最新作品的拍攝，因此，大家結(jié)識了劇作家鐵山巖治、女主角名取深汐、經(jīng)紀(jì)人丹沢純作以及男主角寺堂云平。次日，元太他們一起去湖上露天溫泉的時候，卻在女湯發(fā)現(xiàn)了鐵山巖治的尸體，從現(xiàn)場來看兇手應(yīng)該是在發(fā)案之后趁機(jī)混入了騷動之中，調(diào)查之后，警方將嫌疑鎖定在深汐、丹沢、寺堂三人中。

君島帶著自滿的藏平來參加電視節(jié)目，但在彩排時花瓶卻離奇失蹤！作為名偵探的小五郎也身負(fù)重任來尋找失蹤的花瓶。而在分析眾人之后小五郎發(fā)現(xiàn)舉止怪異的山崎，但山崎藏起來的是洋子的手絹而非花瓶。而在調(diào)查了現(xiàn)場之后柯南發(fā)現(xiàn)了犯人偷藏花瓶的手法，并以小五郎的身份揭露了犯人的身份。而君島帶來的花瓶也只是贗品而已。

在警方對三名嫌疑人進(jìn)行偵訊時，他們?nèi)朔炊嗷ブ肛?zé)并揭露對方的犯案動機(jī)，這時，有人在更衣室內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一個空瓶子，另外在湖面上還有漂浮的火柴棒，為了弄清真相，警方又找來工作人員進(jìn)行對峙，然而，他們卻表示并未發(fā)現(xiàn)異樣，期間，女主演深汐的一句話點醒了柯南，在他的引導(dǎo)下，大家得知一整夜都呆在溫泉里的人并不是兇手而是死者本人，那么，兇手到底是誰？在他的身上又有怎樣的關(guān)鍵性證據(jù)？

案件終于有了眉目，就在柯南和大和針對謎題展開討論時，高明從昏迷中蘇醒，三人一起計劃了一出空城計。他們故意對三個嫌疑人放出關(guān)鍵信息，引誘他前去直木司郎家找重要的證據(jù)，果然不所料兇手暗中潛伏在直木司郎家附近，為了讓狡猾的他放松警惕，柯南聯(lián)合小蘭、大和等人上演了一場能證明周遭沒有警察的犯罪戲碼，引誘兇手自投羅網(wǎng)。