少年偵探團一大早搭乘開往米花樂園的電車，當柯南以為沒人和他們一樣時，就來了三個大學生也上了這趟電車，他們是鐵道研究社的，來這里是為了拍攝地上電車的照片，期間，川崎下車去前方拍攝行駛的電車，可就在電車急速向前時，他突然從梯子墜落到鐵軌上，幸虧司機及時剎車，他才得以保住一命，然而大家剛松了一口氣，卻發現堀井橫尸車廂……

柯南一直到吃晚飯的時候都還不見蹤影，博士去找他時也被不明人士打昏。深夜，不放心博士和柯南的灰原等人決定在古堡進行搜索，然而他們卻沒有發現兇手正悄悄跟在他們后面，大家跟著灰原來到柯南消失的密室，并發現了血跡和石頭上的留言，古堡越來越詭異，之后，光彥和元太也不知了去向，步美和灰原進一步深入古堡，就在她們也發現那具骷髏時，兇手出現。

為了找尋灰原存有藥物資料的磁盤，柯南一行找到了她姐姐明美的老師廣田教授，趕到時卻發現教授死在一個密封的室內，經過鑒識認定是后腦勺遭到重物撞擊而死，但這其實是一件蓄意殺人案，可疑人物鎖定在白倉、細矢和盛岡三人身上，就在柯南的推理遇到瓶頸時，灰原的一句話點醒了他，他用阿笠博士的聲音道出真相。

找到兇器成了破案的關鍵，小五郎發現抽屜里的冰鎬少了一根，加之對大家物品的檢查認定矢代就是兇手，可是柯南卻發現消失的冰鎬被用來固定植物了，繼而小五郎又認定上森的兒媳熏兇手，熏指出這里的每個人都有殺人動機并否定自己是兇手，到底誰是兇手呢？這時，柯南從目暮警官和小五郎的談話中得到啟示，找到兇器之后，沒錯，兇手就是那個人！

小蘭，園子和柯南在溜冰場認識了五個自稱是陶土射擊愛好者的朋友，就在大家等待看煙火的時候，洗手間卻傳來園子的尖叫，大家慌忙趕到現場時，看到的卻是千尋遭人用散彈槍擊中胸部倒坐在洗手間的慘狀，她的尸體旁邊留下了一個用血寫成的S狀文字，于是小五郎推斷這個英文字母代表著「兇手就是佐野泉」的信息，但高木和目暮警官卻推翻了他的猜測，之后，警方在死者的攜帶行動電話上發現了KIX的字樣。