小蘭的班上轉來了一個叫伊東玉之助學生，受到他的邀請小蘭和柯南一行人來到他的劇團參觀排練過程，柯南發現成員之間似乎有什么問題，沒過多久一樁殺人案件發生了，案發時所有人正好都在舞臺排練，而且柯南等人就坐在觀眾席，那個逃過柯南和劇團人視線犯案的兇手應該就在其中。

學校里最近發生了很多詭異的事情，而且教導主任在沒請假的情況下也消失了好幾天，當柯南向老師和校長問及此事時，大家也都避而不語，為調查真相少年偵探團夜探帝丹小學，附有學生名字的娃娃，移動的人體模型，窗戶后面的黑影，樓梯上的煙霧和扶手上的紅色顏料，以及自己班級里突然出現的十幾個黑影，雖然這一切看似撲朔迷離，但是真相只有一個。

當新出醫生得知來取健康檢查結果的小五郎，就是傳說中的大偵探之后，便邀請小五郎，小蘭和柯南留在他家里吃便飯，但在飯前卻突然停電，來電之后，大家在浴室里發現新出醫生的尸體，同時，在浴缸里還發現了一把刮胡刀，乍一看像是因為觸電而死的意外事件，但在柯南看來卻是一場有預謀的殺人案件。

土屋益子雖然被認為是因為打破了菊右衛門的新作“風水丸”而內疚自盡的，但柯南在看到現場的血跡時發現了不正常的地方，最終確定這是一起殺人事件并推理出了犯人的犯罪手法和兇手的身份。而在鐵證面前兇手也最終承認了罪行，坦白了因不愿意益子繼續將自己的作品作為師父的作品來欺騙他人而殺人的事實。

貴和子的未婚夫雅彥打來電話希望朋友們可以把保險證送到醫院，于是，一群人便驅車趕往醫院，途中柯南從小蘭和她媽媽妃英理的談話中得到啟示，趕到醫院時貴和子還沒有脫離危險，柯南麻醉小五郎后，讓大家來到院長室將整個案件的來龍去脈詳細分析，并找出了蓄意謀害貴和子的兇手。