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。

柯南用自己的方式證實了義房身份并未偽造，經過院子的時候，廣美和有希子談起了15年前自己母親從這里落井死亡的事，突然，柯南看到了木門那邊有個可疑人影。當晚，大家輪流洗澡時，去外面加柴的廣美發出叫聲，她看到了可疑人影，并在古井發現了二媽真知子的尸體，而家里的汽車也莫名被停到了森林。這時，藪內家的律師趕來宣讀遺囑，期間，義房差點被人蓄意設計的十字弓殺死。

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。

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。

元旦當天，少年偵探團一起到國立競技場看足球決賽，卻看到l了足球被槍射中，這時，正在為天皇杯決賽進行轉播的日賣電視臺，接到了歹徒索要五千萬元的恐嚇電話，如果讓他發現比賽中止讓觀眾撤離的狀況，他將立刻對場內的觀眾進行掃射，電視臺依照歹徒的指示將錢袋準備好之后就在周圍埋伏了帶待命的警官，然而警察只抓到了歹徒同伙，歹徒通過電話說因為日賣電視臺的報警所以要殺雞儆猴，情況愈發危機。