小五郎，柯南，蘭，園子為了看伊東玉之助的劇團的戲劇表演，而前往了有名的劇院金丸座。這次，劇團上演的是以《歌劇院的怪人》為藍本改變的《金比羅劇院的怪人》的時代劇，玉之助飾演怪人，女演員輕部蘆美飾演女主角歌手。之后，在彩排中大吊燈突然落下，由于蘆美額頭受了小傷，玉之助不得不在劇院公開了被實際存在的怪人要求更換女主角的事情。

在趕來支援的FBI的幫助下，柯南他們將獨自駕駛摩托的水無包圍，然而，馬路上卻出現了一個撿球的小男孩，為不傷害小孩，水無出車禍受傷。另一邊，今恩在水無換下的衣物里發現了粘在鞋底的發信器和竊聽器，便臨時決定變更目標向米花鎮駛去，柯南察覺到他們的行動，意識到小五郎性命堪憂，也匆匆趕往米花鎮，而此時黑衣組織已經瞄準了小五郎……

放學后，小蘭在鞋柜里發現了一封情書，正當她為此而煩惱時，遇到了曾在帝丹高中上學的學姐，她說家里遭到了不明人士的入侵，可奇怪的是小偷不僅沒偷錢，反而還給她死去的丈夫上了一炷香，并且自己的日記也有被人查看過的跡象，期間學姐還談起了高中時期被自己拒絕過的男生，看過照片后，小蘭說她今天見過這個男生，之后，園子將整個事件的來龍去脈推理出來，這時，學姐說她還有一件事瞞著大家……

倫子在密室中上吊死了。群馬縣的山村警官認為這是一起偽裝成自殺的密室殺人案而展開了搜查，并向純，享，耀治等人詢問情況。而三人案發時看起來也沒有什么異常。之后柯南留意到只有書架上的百科辭典沒有按卷數依次擺放的細節并找到了隱藏在書架里的密道并已毛利小五郎的省份給山村警官發送了提示短信最終將犯人抓獲。

警方對酒廠的所有人一一進行偵訊后，卻并沒有發現時什么異常，但柯南卻提出了兩個疑點，即兇手為什么要把尸體搬走，又為什么在兩天之后暗中告訴警方尸體的位置。為了思考這兩個問題，柯南想破了腦袋，直到他從換班休息的酒廠老員工哲田那里得知了以前的事情，隨后他冒充小五郎打電話給警方，讓他們調查一件事情，結果正好證實了他的想法，兇手一定就是那個人！