為了讓扭傷腳的柯南療養腳傷，大伙兒一起來到城崎溫泉，然而，小蘭卻突然失蹤，柯南從光彥他們所拍的照片上看到小蘭和一個小女孩在一起，同時照片上還出現了一個行蹤可疑的男人。這時，柯南他們遇到了服部，他受人委托前來找一個叫陽菜的女孩，而她正是和小蘭在一起的那個孩子。據陽菜的父親周平所說，在陽菜失蹤的同時他美術館里的展品彩虹之子也不翼而飛。就在大家四處進行尋找時，陽菜和小蘭遇到了危險。

柯南、小蘭和小五郎在咖啡廳結識了一名叫高畑響子的女士，她從警察那里得知的妹夫福島意外死亡后就匆忙趕回家中，現場除了尸體還有散彈槍和墜落的吊燈，警察準備以意外事件結案，但身為死者同學的千葉警官卻認為事情沒有那么簡單，他和同樣持有懷疑態度的柯南暗自展開了調查，不出所料這果然是一起有預謀的殺人事件！

來到倫敦的柯南不小心以新一的身份向小蘭暴露在倫敦的事實，而此時柯南喝下了回國用的解毒劑暫時以新一的身份出現！在繼續調查的過程中小蘭從以前新一說過的話中得到啟發發現了人偶的秘密。而之后通過與新一電話中發現了更多的線索。這時小蘭和小五郎碰到了米奈芭小姐，在米奈芭和弟弟阿波羅的協助下小蘭留在教堂的紙片，而上面寫著的就是接下來的線索。

游戲公司社長的恩田和美遭到兇手槍擊身亡，小流氓大嶺良介涉嫌重大因此被通緝，他在購物中心劫持一名少女作為人質正打算逃跑時，被柯南發現，他成功救出了女孩但自己卻成為了新人質，大嶺驅車擺脫了警方的追擊，帶柯南來到一處地下室躲藏，期間，柯南試圖逃跑卻遭到不明人士的槍襲，所幸大嶺出手相救，柯南開始懷疑這個為自己負傷的人是否真的是殺人犯，或許這起殺人案的背后還隱藏著不可告人的內幕！

雖然警方再次對這三名嫌疑人進行詢問，但因為每個人都坐在看不到我妻點餐內容的位置，所以根本無法預知死者會拿哪一盤壽司，案件再遇瓶頸，這時柯南在我妻的回轉臺上看到了塑膠包裝的一角，加之博士向灰原借手帕這一細節，他突然明白了兇手的作案手法，那么兇手一定是他！于是，柯南以阿笠博士為掩護當場指認兇手……