小蘭，園子和柯南在溜冰場認識了五個自稱是陶土射擊愛好者的朋友，就在大家等待看煙火的時候，洗手間卻傳來園子的尖叫，大家慌忙趕到現場時，看到的卻是千尋遭人用散彈槍擊中胸部倒坐在洗手間的慘狀，她的尸體旁邊留下了一個用血寫成的S狀文字，于是小五郎推斷這個英文字母代表著「兇手就是佐野泉」的信息，但高木和目暮警官卻推翻了他的猜測，之后，警方在死者的攜帶行動電話上發現了KIX的字樣。

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。

小五郎受學生時代認識的房東太太宗田光江之托，開導她最近不知為何事而消沉的孫子阿真，數次敲門無人回應，光江用備份鑰匙把門打開，卻發現屋內一片狼藉，而且墻壁上還涂滿了用紅色蠟筆畫的線，大家在浴室發現了割腕而死的阿真，光江讓柯南找來醫科大學的房客城戶，但已經為時已晚，小五郎斷定這是自殺案件，但光江和柯南卻認為是被人抹殺，這時，大家注意到了在建筑模型里的鑰匙，也就是說這是密室殺人事件！

在放學回家的路上，柯南和灰原發現了黑衣組織中金恩的車子，柯南在車上裝了發信器和竊聽器進行跟蹤，但被金恩發現，他也因此察覺到灰原的存在。柯南和灰原根據竊聽器聽到的地址，來到金恩和匹斯可等人要進行殺人計劃的杯戶飯店，這里正舉行電影導演的追悼會，在放映幻燈片期間，政客吞口重彥被殺。

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。