柯南，小蘭和小五郎一行三人搭乘開往北海道的特快列車北斗星三號，在通過隧道的時候珠寶商人出云被人槍殺，兇手將車窗射穿跳出車外逃跑，之后警方又在隧道之中發現了疑似歹徒的男人，這宗命案的過程簡直跟柯南的爸爸工藤優作一篇未發表的推理小說一模一樣，期間一個言行奇怪的女人引起的柯南的注意，在柯南揭穿她的謊言后，她終于暴露了身份。

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。

原來這名行跡可疑的女士是柯南的媽媽有希子，她將此行的目的告訴柯南后，大家就一起聚到休息室聽小五郎的推理，期間，警察在隧道里淺間的尸體上發現了膠帶碎片，突然靈光一現，柯南知道了誰是兇手以及他的犯案手法，卻苦于沒有證據，按照小說的劇情，柯南還有被殺的可能，苦惱之時，有希子提議干脆將計就計讓兇手自己現身，于是一場揪出兇手的好戲上演。

園子和小蘭購物結束坐公交的時候，有一位自稱是設樂的老人坐在了小蘭旁邊，他說自己認識小蘭并打算去趟毛利偵探事務所，聊著聊著小蘭睡著了，醒來的時候老人已經離去，可是小蘭卻很擔心老人的安危，執意要去公車站找老人，這時，柯南發現小蘭的包里多了一張磁片，這張機密磁片的內容到底是什么？老人又到底去了哪里？

土屋益子雖然被認為是因為打破了菊右衛門的新作“風水丸”而內疚自盡的，但柯南在看到現場的血跡時發現了不正常的地方，最終確定這是一起殺人事件并推理出了犯人的犯罪手法和兇手的身份。而在鐵證面前兇手也最終承認了罪行，坦白了因不愿意益子繼續將自己的作品作為師父的作品來欺騙他人而殺人的事實。