阿笠博士以少年偵探團為對象進行了一場尋寶之旅，舞臺就是阿笠博士的叔叔住的一個別墅，但在他叔叔過世的50年來，這棟本不該有人進出的別墅卻發現有人來過的痕跡，他們還找到了一系列由月亮、星星和太陽組成的古怪暗號，連博士事先藏好的玩具也被人用刀劃壞，這幢別墅一定暗藏玄機。

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。

在放學回家的路上，柯南和灰原發現了黑衣組織中金恩的車子，柯南在車上裝了發信器和竊聽器進行跟蹤，但被金恩發現，他也因此察覺到灰原的存在。柯南和灰原根據竊聽器聽到的地址，來到金恩和匹斯可等人要進行殺人計劃的杯戶飯店，這里正舉行電影導演的追悼會，在放映幻燈片期間，政客吞口重彥被殺。

小五郎帶小蘭和柯南去日賣樂園游玩，正好碰上劇場演出，假面超人的表演橫跨整個樂園，可就在他表演從高空彈跳的動作時，腳踝的橡皮突然斷裂，假面超人的表演者西野掉落河中而死，這起案件乍一看是意外，但柯南注意到橡皮有灼燒的痕跡并非自然斷裂，于是推斷出這是謀殺，在對案發現場進行調查和相關人員的偵訊后，兇手浮出水面！

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。