阿笠博士和少年偵探團在河灘看螢火蟲的時候，垂水打電話給運來螢火蟲的中嶺，不想電話的另一邊卻傳來痛苦的呻吟聲，于是大伙兒匆忙驅車趕往事發地點，到達時中嶺已經在自己的車子里停止了呼吸，在他的旁邊還有一瓶有毒的飲料，有四人具有犯案嫌疑小和田道武以及他的女兒小葵、垂水和達馬，就在鳴龍梳理案情時，柯南注意到了元太從垂水車上拿的手電筒，這正是破案的關鍵！

這天是米花大學的校慶，小五郎作為畢業嘉賓帶著柯南，小蘭和園子前來參加。這是米花大學學生辻榮尊座邀請小蘭來幫忙看看僵尸表演是否到位。之后柯南，小蘭和園子在尊座和貴士的帶領下參觀了他們設計的絕叫病棟，就在被他們精湛的設計和表演嚇到的同時發現成員之一安菜沒有按計劃起身嚇人，走進之后發現安菜已經中毒身亡！隨著調查的深入，一個月之前橋口中毒身亡的事情也逐漸浮出水面。

為了讓扭傷腳的柯南療養腳傷，大伙兒一起來到城崎溫泉，然而，小蘭卻突然失蹤，柯南從光彥他們所拍的照片上看到小蘭和一個小女孩在一起，同時照片上還出現了一個行蹤可疑的男人。這時，柯南他們遇到了服部，他受人委托前來找一個叫陽菜的女孩，而她正是和小蘭在一起的那個孩子。據陽菜的父親周平所說，在陽菜失蹤的同時他美術館里的展品彩虹之子也不翼而飛。就在大家四處進行尋找時，陽菜和小蘭遇到了危險。

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。

柯南等人在來自英國的戴安娜女士的邀請下一起前往倫敦旅行，為了通過關卡，柯南利用灰原的藥暫時恢復工藤新一的身份。到達英國后，柯南興奮的來到福爾摩斯博物館參觀，期間遇到了著名網球選手格拉斯的弟弟阿波羅，柯南以福爾摩斯徒弟的身份從他的口中得知有一名可疑男子給了他一張奇怪的字條，并告訴他將有人死在他的面前，這個男子的目的是什么？字條的內容又有何含義？