少年偵探隊為準備兒童大會要表演的布偶戲，隨一個叫海部大學生去霧之丘高原進行特訓，可是當晚柯南發現同他們一起來的小朋友和相應的布偶都不見了，就在柯南和光彥去二樓進行調查的時候，元太和步美也突然失去了蹤影，因為電話線被不明人士割斷，兩人跑到離這里最近的另一家民宿，卻看到……

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。

破解密碼后，元康留下的線索居然是……案件解決之后，小蘭找借口把柯南帶到了工藤家，并戳穿柯南就是新一的身份，這時，工藤的母親有希子從美國回來，在她的幫助下，柯南逃過了小蘭的質問。 次日，有希子帶柯南來到鄉下，原來她是受兒時朋友廣美所托，來鑒別剛從巴西回來的叔父義房的「真假」，晚上，義房說他早就知道大家的懷疑，并從身上拿出一封恐嚇信。

新一要求在次對嫌犯的物品進行搜查，可依舊沒有發現可疑物品，之后，新一在鷺沼的座位上發現了底片的碎片，并將所有人的證詞、座位上的底片、墻壁上的血漬和被害人口袋被弄濕都串成了一線，雖然鷺沼的嫌疑最大，但新一卻說兇手不是他，因為他被真兇所利用，推理一步步接近真相，讓大家出乎意料的是兇手居然是……

少年偵探團在廢棄大樓為園游會練習的時候，逃逸的嫌犯在佐藤和高木兩位警官的追擊下闖了進來，嫌犯從屋頂逃到隔壁的美術館，但佐藤警官還是在廁所將他逮捕，但由于操作失誤，她將自己和歹徒都用手銬銬住無法自由活動，嫌犯東田聲稱他是無辜的，逃跑完全是為了參加女兒的婚禮，最后佐藤警官決定讓高木和少年偵探團在一定的時限中找到真兇。