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……

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。

在甲板船頭的尸體不是別人，正是讓大家誤認為已經死亡的蟹江，之后，柯南又在船的外圍發現繩索梯子，這說明蟹江一直藏身于此伺機而動，并且柯南還在船頭欄桿上發現了剝落的油漆和燒焦的痕跡，將所有的線索串聯起來，兇手漸漸浮出水面，這時，柯南接到一通電話，原本很擔心平次的他卻突然對小蘭調侃起了服部，服部是否真的平安？這件與二十年前案件相關的兇案真相到底是什么？

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！

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。