柯南的班級轉來了一個叫灰原哀的女生，而同一天少年偵探隊也收到了同校俊野幫忙找哥哥的委托，大家一起去俊野家進行調查，發現了一張夏目漱石的肖像畫，俊野說曾有一個黑衣女人很賞識這幅畫，聽到這些，柯南馬上聯想到了黑衣組織，便急忙帶領偵探隊走街串巷的尋找線索，期間，在便利店遇到的一個使用假錢的男子引起他的注意，于是，一路尾隨，推理出了這名男子的去向。

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。

和葉被人帶走不知去向，與此同時，柯南、服部和小五郎三人正對信一的死亡現場進行調查，期間，女傭鹽谷給他們送來宵并講述了三年前所發生的事情。當得知和葉被人擄走消息后，大家分頭尋找，最終在倉庫里找到了纏滿細線的和葉，所幸生命沒有受到威脅。之后，柯南和服部又發現了襲擊和葉用的電擊棒和BB彈，再次返回案發現場又找了新的線索，兇手就是那個人沒錯！

少年偵探團碰到了綠美容館的店長綠和店員美香發生爭執，因從中聽到美香要辭職的信息，步美表示很遺憾，但美香說可以幫步美剪次頭發。次日，大家陪步美去美香公寓時，卻發現她橫尸家中，之后警方介入調查并從死者的指甲縫中發現藍色塑膠碎屑，這時店長綠也趕來確認尸體，柯南從她的表情和怪異的舉止斷定她就是兇手，可是兇器到底是什么？在灰原的提醒下，柯南把目標轉向垃圾，一番搜查后卻一無所獲，柯南這次真的判斷錯誤嗎?

大樓下面已經被記者圍堵，目暮警官讓小五郎暫時引開記者的注意，自己好帶土方幸三郎和沖田離開，就在小五郎對記者透漏兇手是沖田時，柯南將他麻醉重新進行了推理，并指出兇手另有其人，而這個人就是正在警方掩護下準備離開的……柯南當著所有媒體的面揭穿了兇手并用找到的有力證據讓他認罪。