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。

少年偵探團在廢棄大樓為園游會練習的時候，逃逸的嫌犯在佐藤和高木兩位警官的追擊下闖了進來，嫌犯從屋頂逃到隔壁的美術館，但佐藤警官還是在廁所將他逮捕，但由于操作失誤，她將自己和歹徒都用手銬銬住無法自由活動，嫌犯東田聲稱他是無辜的，逃跑完全是為了參加女兒的婚禮，最后佐藤警官決定讓高木和少年偵探團在一定的時限中找到真兇。

玉之助半夜悄悄出門，妹妹小惠和柯南暗中跟蹤到了劇團，兩人剛進劇團就在舞臺上發現了被人打昏了玉之助和劇團經理系江的尸體，而她的身邊有一張紙條和許多木屑。雖然玉之助昏迷但是他卻被認定為重要嫌犯，當柯南再次來舞臺調查時，他突然想到了什么便匆忙趕往醫院，并通知警方好好保護玉之助，犯人果真去了醫院，但他身手靈敏，躲過了警察的追捕，沒錯，這個人就是半年前消失的江戶小子！

次日，暮目警官來到石本的公司詢問案件，石本說出了自己曾被平岡威脅的事，本以為案子就以認定平岡為兇手了結的時候，躲在社長室的柯南發現曾與幸子見面的男子從屋子里拿走了一個遙控器，而這名可疑男子其實是幸子的男朋友柴田健一。小五郎讓所有案件相關人員來到派對現場并說柴田就是兇手，可由于他的錯誤判斷，柯南只好再次將他麻痹以找出真兇。

原來幸田把從寶石店里偷來的寶石分散埋在了綿貫家的院子里，而警察追過來時幸田稱寶石被埋到了院子里而警方則不得不挖開整個院子。但警察在挖掘后并沒有發現尸體。少年偵探團的各位在調查了綿貫家附近之后發現了綿貫殺害早苗的事實和藏尸的地點。在少年偵探團們的的指引下警方最終找到了早苗的遺體，而遺落的大波斯菊的種子最終說明了早苗鎖在的地點。