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。

小蘭在去沖繩旅行的飛機上想起了一年前新一在飛機上首次處理命案的事情，當時正值深夜，飛機上所有的人都在睡覺，突然傳來一聲尖叫，一名叫大鷹的男子在廁所被人殺害，碰巧目暮警官也在飛機上，于是新一和目暮警官一起對機艙上所有可疑的人進行了調查，在尋找兇器無果后，新一想到兇器一定就在兇手身上。

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。

柯南、小蘭和園子一起在天臺上等待看流星，和他們一起的還有三個東都大學研究所的學生，期間，野中和秋本去對面的電視轉播塔進行攝影，臨走前秋本告訴他們會有人造衛星經過，讓他們注意觀測。過了一會，秋本從轉播塔那邊回來，留下野中一人攝影，就在大家看向對面的時候，野中從塔上墜落，趕到現場后，他已氣絕身亡，這到底是意外事故還是有人蓄意謀殺？