小五郎，柯南，蘭，園子為了看伊東玉之助的劇團(tuán)的戲劇表演，而前往了有名的劇院金丸座。這次，劇團(tuán)上演的是以《歌劇院的怪人》為藍(lán)本改變的《金比羅劇院的怪人》的時(shí)代劇，玉之助飾演怪人，女演員輕部蘆美飾演女主角歌手。之后，在彩排中大吊燈突然落下，由于蘆美額頭受了小傷，玉之助不得不在劇院公開(kāi)了被實(shí)際存在的怪人要求更換女主角的事情。

放學(xué)后，小蘭在鞋柜里發(fā)現(xiàn)了一封情書(shū)，正當(dāng)她為此而煩惱時(shí)，遇到了曾在帝丹高中上學(xué)的學(xué)姐，她說(shuō)家里遭到了不明人士的入侵，可奇怪的是小偷不僅沒(méi)偷錢(qián)，反而還給她死去的丈夫上了一炷香，并且自己的日記也有被人查看過(guò)的跡象，期間學(xué)姐還談起了高中時(shí)期被自己拒絕過(guò)的男生，看過(guò)照片后，小蘭說(shuō)她今天見(jiàn)過(guò)這個(gè)男生，之后，園子將整個(gè)事件的來(lái)龍去脈推理出來(lái)，這時(shí)，學(xué)姐說(shuō)她還有一件事瞞著大家……

除了發(fā)現(xiàn)煙頭，柯南還發(fā)現(xiàn)二川身上多處沾有血跡，博士等人也在懸崖上找到了寫(xiě)有遺書(shū)的手機(jī)，回到旅館后柯南將這件命案告訴了其他人，就在大家根據(jù)二川留下的遺書(shū)認(rèn)為他是自殺時(shí)，柯南卻說(shuō)他是被人用鋼管擊中頭部墜落山崖而死，于是少年偵探隊(duì)便對(duì)其他三個(gè)可疑人的房間進(jìn)行檢查，雖然一無(wú)所獲，但柯南還是發(fā)現(xiàn)了蛛絲馬跡，他讓灰原配合他演戲，沒(méi)想到真的有人上鉤，這個(gè)人就是真兇嗎？

少年偵探隊(duì)按照暗號(hào)分別找到了剩下的兩個(gè)時(shí)光保存罐，卻發(fā)現(xiàn)在此之前有人曾將它們挖出來(lái)過(guò)而且最后一個(gè)發(fā)現(xiàn)的時(shí)光保存罐里面竟然有一封信，將所有的字條擺在一起，真相也愈發(fā)明晰，柯南在阿笠博士的幫助下揭露了真兇，沒(méi)想到事情的癥結(jié)可以追溯的十五年前……

新田太太在路上偶遇買(mǎi)蛋糕的柯南和小五郎，于是，她急忙將小五郎拉到自己鄰居山本的住所，拜托他處理山本自殺的案件。從現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，死者山本是坐在沙發(fā)上，嘴巴大張用自己的改裝手槍結(jié)束生命，同時(shí)在扣動(dòng)扳機(jī)的瞬間也打破了裝有蝴蝶的恒溫箱，柯南認(rèn)為這是一起謀殺案，但是兇手是如何讓死者嘴巴大張，從而營(yíng)造出自殺狀態(tài)？