小五郎受推理迷林雅人之邀去米花町水族館觀看表演，沒想到在表演現場卻發生了命案，死者是女演員大沢美智子，警方在調查中發現大沢的膝蓋處有貼布，詢問了同事后得知，她的腿偶爾會疼痛，并且在檢查了控制室和蚌殼裝置沒發現異樣后，推斷出大沢死于意外，然而，跟著警方一起調查的柯南還是發現了蛛絲馬跡，認為這是一件有預謀的殺人案件。

學校里最近發生了很多詭異的事情，而且教導主任在沒請假的情況下也消失了好幾天，當柯南向老師和校長問及此事時，大家也都避而不語，為調查真相少年偵探團夜探帝丹小學，附有學生名字的娃娃，移動的人體模型，窗戶后面的黑影，樓梯上的煙霧和扶手上的紅色顏料，以及自己班級里突然出現的十幾個黑影，雖然這一切看似撲朔迷離，但是真相只有一個。

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。

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?

為了找尋灰原存有藥物資料的磁盤，柯南一行找到了她姐姐明美的老師廣田教授，趕到時卻發現教授死在一個密封的室內，經過鑒識認定是后腦勺遭到重物撞擊而死，但這其實是一件蓄意殺人案，可疑人物鎖定在白倉、細矢和盛岡三人身上，就在柯南的推理遇到瓶頸時，灰原的一句話點醒了他，他用阿笠博士的聲音道出真相。