小蘭的班上轉來了一個叫伊東玉之助學生，受到他的邀請小蘭和柯南一行人來到他的劇團參觀排練過程，柯南發現成員之間似乎有什么問題，沒過多久一樁殺人案件發生了，案發時所有人正好都在舞臺排練，而且柯南等人就坐在觀眾席，那個逃過柯南和劇團人視線犯案的兇手應該就在其中。

柯南在死者村西真美家發現了四處疑點，在少年偵探隊的提醒和暗示下，高木終于知道了案件的真相，大家找到真兇用證據讓他承認罪行。而另一邊，杯戶美術館則即將在市民的矚目和阿笠博士的熱帶彩虹炸彈中爆破，可佐藤警官和東田還在美術館內，情況危急，佐藤警官真的會葬身美術館嗎？

對暗號進行仔細研究后，柯南將其破解，順著暗號的指引，他們找到了暖爐下新的圖案，只是這個暗號指向了盤子，一切又回到了原點，柯南百思不得其解，之后，他注意到這些帶有暗號物品的擺設位置，將他們連成一線，沒錯，機關就是天花板上的吊燈，將吊燈旋轉后，二樓的密室被打開，然而這個閣樓上居然有一堆白骨！

光彥說他看到友里百合子在廁所前拼命擦眼淚，這雖然讓大家大吃一驚，但是百合子說自己只是去廁所調整隱形眼鏡而已，這說法合情合理，可柯南總覺得還有疑點，之后灰原一句無意的話語讓柯南終于明白了事情的真相，于是，他急忙的跑去作案現場找到了證據，正巧阿笠博士也趕來接他們，柯南就借阿笠博士之口并重演兇手在放映室的殺人手法，將兇手繩之以法。

破解密碼后，元康留下的線索居然是……案件解決之后，小蘭找借口把柯南帶到了工藤家，并戳穿柯南就是新一的身份，這時，工藤的母親有希子從美國回來，在她的幫助下，柯南逃過了小蘭的質問。 次日，有希子帶柯南來到鄉下，原來她是受兒時朋友廣美所托，來鑒別剛從巴西回來的叔父義房的「真假」，晚上，義房說他早就知道大家的懷疑，并從身上拿出一封恐嚇信。