小五郎，柯南，蘭，園子為了看伊東玉之助的劇團(tuán)的戲劇表演，而前往了有名的劇院金丸座。這次，劇團(tuán)上演的是以《歌劇院的怪人》為藍(lán)本改變的《金比羅劇院的怪人》的時(shí)代劇，玉之助飾演怪人，女演員輕部蘆美飾演女主角歌手。之后，在彩排中大吊燈突然落下，由于蘆美額頭受了小傷，玉之助不得不在劇院公開(kāi)了被實(shí)際存在的怪人要求更換女主角的事情。

當(dāng)小五郎準(zhǔn)備再度去詢(xún)問(wèn)南里薰，卻在門(mén)外聽(tīng)到她的慘叫，還不等小五郎沖進(jìn)去，就從屋子里匆忙跑出了一個(gè)男子，幸運(yùn)的是南里薰并沒(méi)有被殺害，醒來(lái)之后，南里薰說(shuō)起了自己突然消失的男朋友安西，從小五郎的照片上可以看出，這個(gè)人也曾出現(xiàn)在米花飯店，這些原本不相識(shí)的人，因?yàn)檫@件古怪的命案被聯(lián)系了起來(lái)，柯南將安西、南里薰和美奈子一起找來(lái)，這兩起經(jīng)過(guò)完美設(shè)計(jì)的命案，即將真相大白！

警方在繩子和藥瓶上發(fā)現(xiàn)的指紋居然不是屋子里任何一個(gè)人的，那么就排除了他們犯案的可能，再休息之前柯南建議警察再次對(duì)他們每個(gè)人的怪癖進(jìn)行調(diào)查確認(rèn)，然而，卻并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有何異常，案件一度遭遇瓶頸，到底是忽略了哪里的線索？這時(shí)，小蘭無(wú)意中的一句話(huà)提醒了柯南，原來(lái)犯案的不止一人。

這天小五郎回到事務(wù)所后小蘭告訴他說(shuō)說(shuō)英理前來(lái)拜托希望在她出門(mén)的這段時(shí)間里可以把這只名叫五郎的俄羅斯藍(lán)貓寄養(yǎng)在事務(wù)所。小蘭把貓咪五郎托給小五郎照料后便去上學(xué)了。在她走后，有一個(gè)自稱(chēng)為桐下的男人來(lái)到了事務(wù)所。桐下拜托小五郎幫忙解讀自己女兒誤發(fā)來(lái)的手機(jī)短信。因?yàn)槎绦诺膬?nèi)容像是什么暗號(hào)，桐下無(wú)法破解其中的含義。而在貓咪的提示之下小五郎也發(fā)現(xiàn)了暗號(hào)的意義。

柯南、步美等人從博士家里找到了一封四十年前來(lái)自博士初戀情人的信，信上除了說(shuō)每十年在回憶的地點(diǎn)見(jiàn)面之外，還留下了一串像是暗示地點(diǎn)的數(shù)字，而今天剛好是四十年后的相約之日。經(jīng)過(guò)推理，他們一行人來(lái)到動(dòng)物園，將信上的數(shù)字與動(dòng)物入園的順序相結(jié)合，他們找到了飛鼠館，而正巧在他們的面前站著一位女性，她會(huì)是阿笠博士的初戀嗎？