新一の学校では、3日間の修学旅行の計画が進んでいた。その前日、新一の元に1通の挑戦状が送られる。そこには、「修学旅行中、クラスメートの誰かを誘拐する。もし、守れなかったら『高校生探偵』の名前を返上してもらう。」と書かれていた。そして当日、新一のクラスは遊覧船に乗って湖上クルージングをしていた。そんな中、激しい水音が響き、船上は大混乱になる。それと同時に園子の姿が消えていた。
蘭とコナンと阿笠博士と灰原は、鈴木財閥の高級ホテルのオープニングセレモニーに招待された。だが、そこでミス・ジャパネスク受賞祝賀パーティーが行われる直前、ミス・ジャパネスクに輝いた寿かれん宛に脅迫状が届いた。そんな中、コナンと灰原の身体に異常が起こった。パーティーで出されたケーキには、パティシエの手違いで必要以上のアルコールの成分が含まれ、それが作用してコナンは工藤新一に、灰原は宮野志保に戻ったのだ。その後、セレモニーの休憩時間中にかれんが行方不明となったが、本番3分前に無事に見つかり、彼女によるピアノリサイタルが無事に始まったかのように見えた。だが、かれんの姿は操り人形のように宙吊りになり、胸にはナイフが突き刺さっていた。さらに突如糸が切れ、かれんはステージ上にたたきつけられ、会場は騒然となる。新一と志保は殺人事件の捜査を始めるが、彼らの背後には黒の組織の影が迫っていた。
新一と蘭は、園子の誘いで山奥にある「十五夜村（じゅうごやむら）」にやってくる。この村には、巨大な百舌鳥が村人を襲い、ハヤニエにしたという怪鳥伝説が存在するという。そんな中、その怪鳥伝説になぞらえた殺人事件が発生する。
カメラマン・坪内は愛人の桃子に別れを告げられたことで激昂し、桃子を殺害。強盗の犯行に見せかけようと画策する坪内は、アシスタントの岸と共に桃子の部屋を出ようとした際、強盗に襲撃を受けたように偽装した。だが、桃子のマンションにあるネイルサロンに蘭と一緒にいた新一も異変に気づき現場に急行。坪内が仕掛けたトリックの矛盾点を暴き出す。入力したキーワードは「アイシテル」。
超能力者・鷲見治郎と対決する企画の生番組に出演した新一。番組中、超能力に否定的な司会の原田は鷲見に自分を殺してみろと挑発。鷲見は超能力で原田を殺すと宣言し、原田に念を送ると、突如原田が苦しみだした。新一はただのパフォーマンスだと思っていたところ、原田は本当に死亡してしまった。入力したキーワードは「ドッキリ」。
スナックでの窃盗事件の裁判で、被告側の証人として裁判に出席することになった英理。被告である麗香の証言は、犯行のあった時刻に英理が見知らぬ中年男とラブホテルから出てきたところを目撃したというものだった。裁判中、麗香に侮辱的な態度を取られた英理が指鉄砲で麗香を諌めるまねをしたとき、銃声が聞こえ麗香は頭を撃ち抜かれていた。入力したキーワードは「クチベニ」。
蘭と園子に神経衰弱で負けて「今日1日他人の頼みを断らない」という罰ゲームを課せられた新一は、小五郎の頼みで結婚式の手伝いをすることになるが、その結婚式の裏側では新郎新婦の本木とかのん、その友人であるナナの間で複雑な恋愛事情が渦巻いていた。やがて始まったパーティーで、ナナが他の友人のカクテルを横取りして飲んだ瞬間、ナナは突然苦しみだして死亡する。しかし、カクテルから毒物は検出されなかった。入力したキーワードは「キス」。
新一・蘭・園子は映画監督の永田に招かれ、永田の別荘を訪れる。しかし別荘に永田の妻・知里が現れ、永田の愛人の沙織と激しい言い争いを展開してしまう。その後、永田がその場を取り成し、全員で別荘の管理人である佳奈に用意させた紅茶を一口飲んだが、突如永田が青酸カリにより絶命。しかも永田の死のショックで知里は記憶喪失となってしまった。入力した年月日は、「去年、最初にサンマを食べた日は?」の問いでは「2010年9月25日」。しかし、このあと出題された「最後に紅茶を飲んだ日は?」の問いに対する答えの入力が制限時間に間に合わなかったが、3人を監禁した何者かによって自動的に入力された。入力したキーワードは「ジョユウ」。
小五郎の浮気調査をするために、変装した新一と蘭は高木刑事とともに、キャバクラ「クリスティ」に潜入していた。店ではNo.1キャストである久美とのキスを賭け、小五郎と数学者の峰によりゲームが行われていた。久美は勝者となった峰から渡されたワインを飲み干し、キスしようとしたが苦しみだし絶命。峰を巡り対立していたNo.2キャストの響子が持っていたワインのデキャンタからは、トリカブトの成分が検出された。蘭に毒針が打たれ、「ゴフンイナイニ ゲドクザイ ヲ ウタネバ シヌ（5分以内に解毒剤を打たねば死ぬ）」のメッセージの後にキーワード入力画面となる。入力したキーワードは「デカルト」。直後に解毒剤を取りに行った小五郎が別室に閉じ込められるが、解毒剤は新一に手渡され、蘭は助かる。
ラーメン王・野口兵五郎の葬儀で野口の娘・由利と美紀が遺産を巡り骨肉の争いを展開した後、葬儀に参列していた園子が由利と一緒に誘拐されてしまった。犯人は身代金として10億円分のダイヤを要求し、野口の本社ビルのアドバルーンで上空に上げさせる。しかしダイヤは既に盗まれており、新一達は犯人の指示で園子達の監禁場所に行きつき2人は保護されるが、そのとき美紀は犯人によって殺害されていた。新一と蘭は、これまでよりも狭いホワイトルームに閉じ込められ、新一が壁面にあった画面にキーワードを入力後、膨らみ続けていたバルーンは萎んで割れた。入力したキーワードは「ダイヤモンド」。
バス内で蘭が痴漢に遭い、痴漢した男・沢田を追い掛け回す新一と蘭。追跡の末に沢田を捕まえた新一と蘭は、通りかかった警察に引き渡そうとするが、その付近のマンションでは人工呼吸器が止まり心肺停止状態になった老婆・勝代が病院に搬送されているところだった。以前にも人工呼吸器が止まるトラブルがあったことから、殺人未遂の可能性も浮上するが、新一は人工呼吸器が止まった事件と痴漢事件の意外な接点を明らかにする。ホワイトルームには部屋全体に電流が流れていたが、キーワード入力後に電流は止まった。入力したキーワードは「ジハツコキュウ」。
剣道の遠征で上京していた平次と和葉が追い掛けていた引ったくり犯に目がけて、新一がサッカーボールを蹴り撃退するが、跳ね返ったボールが富士丸の家の窓ガラスを割ってしまう。直後に犬の鳴き声と音楽、さらにガラスの割れた音や女性の悲鳴を聞いた新一と平次は、帰宅した富士丸の妻・吉乃とともに庭の離れに向かうが、そこでは割れたガラス片が首元に刺さった状態でアシスタントの日出子が絶命していた。サッカーボールに時限爆弾が仕掛けられていたが、キーワード入力後にタイマーが停止した。2人が次のホワイトルームに行こうとしたとき、新一と蘭をつないでいた手錠がはずれ、新一と蘭は別々のホワイトルームに閉じ込められる。入力したキーワードは「キズナ」。
蘭は小五郎に代わり、チャットで恋人の久保からDVやストーキングを受けている雪乃の相談に乗っていた。雪乃がチャット画面から消えた後、男の怒号と雪乃の悲鳴が聞こえたため、事件があったと考えた蘭は新一に連絡し、雪乃の住む米花町のマンションに駆けつけるが、そこに雪乃の姿はなく血痕が残されていた。その後、マンションの入り口で蘭とぶつかった男が久保だと分かるが、雪乃がチャット中に危害を加えられたにもかかわらず、チャットソフトが起動していなかったことに新一は違和感を覚える。それから6時間後、120km離れた埼玉のウィークリーマンションで雪乃の遺体が発見される。キーワードは「ビデオチャット」。次の部屋は真っ暗で、そこに置かれていた蘭の携帯電話には非通知設定で着信があった。その後、部屋が明るくなると「ゲームス」の新キャラクター・クマッキーの着ぐるみが置かれていた。
頭を拳銃で撃ち抜かれた、ゲーム会社「ゲームス」の社長・辰巳の遺体が米花センタービルの従業員用エレベーター内で発見され、同ビル内の展望レストランで蘭と食事をしていた新一は現場に駆け付ける。佐藤刑事たちは会社の創業パーティーの開始直前にエレベーターホールにいた桜子と大場から事情を聴くが、犯行時、大場は恋人の桜子にキスをしてプレゼントを渡していたため辰巳を殺害することは不可能だという。新一は大場の言動から彼を疑うが…。キーワードは「エレベーター」。次の部屋に蘭がいたが、新一が入ろうとすると「待って」と制止される。蘭の周囲には赤外線センサーが張り巡らされ、それに触れると爆弾が爆発する仕掛けが施されていた。また新一と蘭が食事した米花センタービルの展望レストランで、平田が蘭に声をかけている。
蘭のパソコン教室の講師である真知子が米花シティ銀行の貸金庫室で倒れていた。真知子から相談があると呼び出されていた小五郎はシャッターに貼られた警告文と防犯カメラの映像に銀行への人の出入りがなかったことから内部の人間の犯行と推理。すると銀行内に残っていた長谷川・陽子・仁村がそれぞれ自分が真知子を殺したと供述する。キーワードは「タンジョウビ」。キーワード入力後、赤外線センサーは解除される。
新一はホワイトルームに閉じ込められてきたのは蘭の仕業だと推理した。しかし2人の間にガラスの間仕切りがされた後、白いガスが注入され、2人は意識を失う。高木刑事に声をかけられ新一が目が覚ますと、近くで横たわっていた蘭が警察に取り囲まれていた。監察医の平田は蘭が絶命していると診断し、死因究明のために解剖すると告げ、さらに自分を覚えているかと新一に尋ねる。事件の重要参考人として警察に連行された新一は隙を見て逃走し、現場の米花アリーナで小五郎と合流。そこに落ちていた蘭の携帯電話と佐藤刑事から聞いた現場の状況などから、蘭は急速冷凍され、まだ生きているかも知れないと新一は推理。そこへ真犯人から蘭の携帯電話に着信があり、1時間後に蘭が解剖されることを聞いた新一は小五郎とともに警察署内の遺体安置所へ急ぐ。遺体安置所で蘭が横たわっている棺桶にはロックがかかっており、解錠するためのキーワード入力画面に出てきた日付は2009年5月15日。この日付は、宅配便会社の冷凍倉庫で殺人事件が起きた日で、被害者が誤って冷凍倉庫に閉じ込められたという平田の診断が誤りだと指摘し、被害者が殺された後で冷凍倉庫に運び込まれた殺人事件だと新一が推理（回想のみで、この事件の真犯人については本編では描写されていない）。入力したキーワードは「ヒラタハジメ」。キーワード入力後に解錠したが、棺桶に横たわっていたのは蘭ではなく、腹部にメスの刺さった人形だった。
新一と蘭は、小五郎と平次の出演する映画の撮影所がある京都に向かう。移動中の飛行機の中で、蘭はかつてアメリカからの飛行機内で遭遇した、新一の高校生探偵としての最初の事件を思い出す。京都到着後、平次たちと合流した新一と蘭は、撮影中の事故、そして殺人事件に遭遇する。
