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。

小五郎和朋友分開，一個人醉醺醺的在街上游蕩時，碰到了有過幾面之緣的佐知子，她邀請小五郎和她一起兜風，之后，小五郎在送佐知子回到家時，發現她的室友和美被殺，最有可能的人就是佐知子，但是她當時和小五郎在一起，有充分的不在場證明，那么到底是時間的錯亂？還是兇手另有其人？

靜岡縣的橫溝警官特地找到小五郎拜托他調查一起怪異的案件，此次案件的受害者是演員小宮山，雖然被害者只有一名，但是前來自首說自己是兇手的卻有三人并且這幾人都有理有據的說出了自己的動機和行兇方式，由于事情緊急，橫溝希望小五郎可以盡快做出推理。趕到案發現場時，柯南再次對證人進行詢問，并得知了事情的真相，兇手是自首三人中的一人？還是另有神秘四人？

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。

馬上趕到增尾家的眾人發現增尾的妻子已經被殺害了。看似是強盜殺人的事件中柯南卻從中發現了疑點，經過推理最終發現了犯人的犯罪手法在。在柯南的提醒下高木警官揭露了犯人的騙局。另一方面佐藤警官拒絕了白鳥警部的邀請轉而邀請高木警官一同吃飯就在這時出現的暮目警官卻讓高木產生了誤會。