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……

濱野是被兇手勒死放置在雪地中間的，他是怎么完成這種不可能的犯罪？在須鐮的提醒下，大家想起了沒有來參加的會員影法師，并認為他最有嫌疑，期間，田中說要上樓披件衣服，但突然從外面射入一支箭，與此同時浴室也遭遇同樣的情況，沖出屋外后，大伙在樹林了發現了十字弓和一些箭，柯南一邊詢問大家濱野遇害時的情況，一邊對別墅進行檢查，并在浴室窗戶下發現了訂書針，之后又受酒瓶上圖案的啟發，他知道了事情的真相！

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。

雖然少年偵探團被發現且命懸一線，不過幸好柯南及時趕到，大家得以解救，至于這個黑衣女人根本不是組織里的人。回家的路上，灰原識破柯南的身份并說自己是黑衣組織的人，而阿笠博士現在已經……，聽到這些，柯南匆忙趕去博士家卻發現博士安然無恙，而這時灰原也回到家，原來她因為姐姐的事情已經背叛了組織并且服用了和柯南一樣的藥讓身體變小，走投無路之下來到工藤家，被博士發現而收留。

柯南等人搭乘環形電車的時候，突然從二號車廂里傳來慘叫，一名女子橫尸車廂，發現尸體的是死者的三名同事，柯南注意到死者耳朵發黑并且有被針狀物刺過的痕跡，由此推斷是被人毒死的，警察趕到后對死者的三名同事進行偵訊并檢查了他們的物品，柯南發現其中一人物品很是可疑，沒錯，兇手就是她！柯南已將謎底已經解開。