在園子的邀請下，柯南、小蘭隨她一起前往杯戶飯店享用“蛋糕吃到飽”，然而在搭公車的途中他們遇到了一位截拳道高手，這位與小蘭勢均力敵的對手到底是什么人？到了杯戶飯店后，得知蛋糕吃到飽餐廳已經截止入場的小蘭和園子大失所望，這時，突然傳來尖叫聲，有一名男子從高處墜樓身亡，目擊人晝川表示樓頂有人影閃過，但當柯南趕到樓頂時卻只發現了外套和鞋子。

從火災現場逃出來的柯南等人看到的是跪坐在地上的初穗，想要殺害館長的三人卻反被殺害，而初穗承認自己失手將想要對館長下手的姐姐殺死，看到現場遺留的物品后柯南有了線索，這并不是一起單純的正當防衛，在這個事件的背后還隱藏著不為人知的真相，隱藏在能面背后的真正兇手到底是誰？

和笹本小姐一起晨跑的高木警官在路上撿到了一個皮包，打開之后里面竟是3千萬的巨額鈔票，沒過多久鈔票的失主平沼先生便來到了警局。經過調查之后高木警官發現平沼先生丟錢的時間有所出入，仔細觀察后的柯南得出了結論，平沼先生是在早上故意將錢放在路上，而他想把錢交給的則是有著晨跑習慣的笹本小姐，但他的用意卻讓眾人很困惑。

被襲擊的迫田暈倒前指向了小蘭，擁有空手道段數的小蘭被懷疑，尋找到目擊證人的柯南還從飾演過蝴蝶夫人的兩位演員身上找到了小蘭飾演角色的原型，而劇本內第二起殺人事件的死亡訊息也不知道蘊含著什么意義。案件變得更加撲朔迷離，擁有犯罪嫌疑的人越來越多，而在案件還沒解決的情況下又有人遭到了襲擊。

揭開暑假序幕的星期天，阿笠博士陪著少年偵探團看完電影后往家趕，在電車上他們看到遠方的樓頂上發生了命案，但到達現場后目擊墜落的時間卻是他們看到案情發生后的10分鐘。五層的建筑不可能墜落這么長時間，為了找出案情的真相柯南立即對案發的大樓展開了調查。