故事发生于东京，在全球最大体育盛事WSG即将召开之际，知名企业的高官却接连在赞助商酒会现场遭到绑架，而自新名古屋站至东京的最高时速1000km的真空超导磁悬浮列车也被卷入其中，一场牵动国际目光的重大案件就此展开。

在美国曼哈顿举行的艺术品拍卖会上，一度被认为毁于二战空袭的梵高亲笔临摹向日葵系列2号画作惊艳登场。财大气粗的铃木财团顾问的铃木次郎吉（富田耕生 配音）一骑绝尘，以三亿美元天价将其收入囊中。在之后的记者招待会上，铃木宣布将联系分散在世界各地收藏家手中的向日葵画作集结在日本，举行一次梦幻展览。为此，他聘请毛利小五郎（小山力也 配音）、展览企划负责人圭子•安德森（榊原良子 配音）、画作鉴定师宫台夏美（荣仓奈奈 配音）等七位专家组成“七武士”团队为展览保驾护航。谁知怪盗基德（山口胜平 配音）从一开始便锁定该画作，他不仅大闹会场，还为了抢夺画作而险些炸毁运送专机。
随着画展日期的临近，柯南（高山南 配音）与伙伴们必须尽快越过一座座难以想象的险峰……

小兰的朋友原子家铃木财团准备展出他们家珍藏的沙皇尼古拉二世家的宝物——回忆之卵，回忆之卵里收藏了沙皇尼古拉二世一家的珍贵照片，由此特别珍贵。岂料在展出之前，却收到了怪盗基德的通知函，上面用迷语的方式列明他盗宝的时间。原子找到小兰的爸爸名侦探毛利小五郎帮忙，当然，真正的幕后高手柯南也会和小兰一起前来。柯南遇到了同为侦探的服部平次，两人决定一起联手解开怪盗基德之谜！

东京、大阪、京都相继发生杀人事件，5名死者皆是被头戴面具的黑影人用武士刀和弓箭瞬间杀害。警方介入调查，发现死者都是出没于3地专门偷窃有名的佛像及美术品的偷盗集团“源氏萤”成员。该集团共有成员8名，以义经的家臣名字互相称呼，且都持有一本《义经记》，被害5人手中的《义经记》均被拿走。
这日京都古寺山能寺收到奇怪书信，说若能解开信中所附的画谜，便能找到8年前被窃的如来佛像。柯南、小兰随毛利小五郎来到该寺，均对画谜一筹莫展。5名被杀者之一曾对与新一不相上下的大阪高中生服部平次照料有加，服部也来到京都对案件秘密展开调查，并借机找寻自己的初恋情人。柯南与服部相遇联手调查时，发现有人想置服部于死地，紧接“源氏萤”另一成员被害，而这一切，似乎又都与画谜有关。

柯南在街头目睹一名正打电话的警察在雨中被射杀，忙将凶手追踪，但凶手逃脱。死者闭眼一刻紧抓左胸，似乎有所暗示。事后柯南从目暮警官口中了解到紧抓左胸是暗示那里有警察手册。不久又有警察手拿警察手册被人射杀于地下车库。对于这两起案件，目暮警官等人一反常态不愿向毛利小五郎及柯南透露太多信息。毛利不甘心进一步追问，白鸟警官只答一句“Need not to know”。该话是警察之间所用的密语，意味这两起杀人事件与警察内部人士有关。
柯南、小兰等人参加白鸟妹妹的婚宴，电突然间停掉，那刻小兰正与女警佐藤在洗手间。小兰拿起身边的手电筒欲照明时，一颗子弹射进佐藤身体，小兰吓昏过去。次日小兰醒来，却因怪责自己害佐藤挨枪失去记忆。目暮见事态越来越严重，将秘密说出，原来死去的两名警察正与佐藤一起重查一桩有关医生仁野自杀的案件，该案涉及到警察局长的公子。将局长公子假定为嫌疑人之一时，柯南亦想到佐藤被射杀后宴会上少掉的两个人。

目暮警官、小兰的母亲妃英里、阿笠博士接连遭到不明身份之人的暗算。柯南追踪伤害阿笠博士的凶手，他根据几起案件现场留下的线索发现凶手按照扑克牌的顺序行凶，而且遇害者皆与毛利小五郎有关。目暮提供的线索初步揭开事情的真相，原来毛利当年任职警察的时候曾经逮捕犯下杀人罪的赌徒村上丈，当年也更因这一事件导致毛利离职以及婚姻变故。
十年后，服刑期满的村上丈出狱，开始按照扑克牌的顺序向毛利身边之人展开报复。在得知原委后，毛利努力寻找身边与数字有关的人。在这一过程中，各种惊险场面接连出现。而柯南也对案件的真相产生疑惑……

柯南、灰原及少年侦探队成员步美、光彦、元太随博士这日露营完毕，绕道参观西多摩市新建于富士山前的日本第一双塔摩天大楼，毛利小五郎恰也应双塔所有者、他的学妹常盘美绪之邀，携小兰、园子参加开幕典礼。美绪介绍下，他们认识以画富士山闻名的画师如月峰水、市议员大木岩松、双塔的设计者风间英彦（森谷帝二的弟子，第一弹《引爆摩天楼》中，森谷曾向新一挑战）、天才程序员原。期间灰原的举动异常。
大木提前入住B塔被害，目暮警官着手调查发现他与美绪似有不同寻常关系，不久原亦被杀害于家中。因为现场都留有与日本画画师作画时所用的乳钵相似的小酒杯碎片，两起案件似系一人所为。柯南由小酒杯联想到灰原曾效力的、以酒名为绰号的黑暗组织，并注意到第二起案件中碎片上未沾染血迹。与此同时他找到灰原举动异常的原因，却发现她正被人追踪。而园子玩笑弄的发式令她像极了雪莉（灰原）。
开幕酒会上，美绪向宾客展示如月最为宝贵的富士山画作时被杀，死相正如横亘在富士山正中的双塔的缩影图，她的身下也有一个小酒杯，不过却是完好的。地上一颗原本该呆在美绪脖子上的珍珠令柯南将目光转向如月。紧接，A楼美绪公司电脑档案所在的楼层及地下配电室发生爆炸。逃亡时刻，柯南注意到正有一支枪瞄准园子，心中给出了所有疑问的答案，但他及小兰等人最迫切需要解决的却是如何从火海逃脱。

东京峰会召开在即，为了确保会议顺利进行，日本警方出动约两万名警力对位于东京湾的超大设施“海洋边缘”进行安保工作。可就在严密的防控下，此地已然发生了爆炸案。令柯南（高山南 配音）等人始料未及的是，现场居然留下了对毛利小五郎（小山力也 配音）极其不利的证据。在此之后，小五郎 遭到逮捕。柯南则发现安室透曾出现在爆炸现场，并且负了伤。为了还毛利叔叔的清白，柯南和阿笠博士以及少年侦探团的小伙伴们联合起来勘察现场，搜集证据。随着调查的深入，柯南发现这起爆炸案隐藏着包括恐怖分子、公安在内多方的复杂关系，而真相更令所有人瞠目结舌……
本片是“名侦探柯南系列”第22部动画剧场版，票房总收入超过90亿日元。