蘭とコナン、小五郎は懸賞で伊豆の旅行が当たり、新規オープンのホテルにやってきた。ホテルは立派な五重塔のある幻塊寺という古い寺のある丘の麓に建っている。この寺には戒律を破ると五重塔の祟りがあるという言い伝えがあるという。翌朝、五重塔からつり下げられた観光会社のオーナーの遺体が発見される。
観光会社のオーナー・小田の死は、祟りを恐れる幻塊寺の関係者をパニックに陥れた。地元警察は自殺の線で捜査を進めるが、境内の草むらに落ちていた小田のネクタイピンと、服に付いていた草の種から、コナンは小田が草むらで殺害されたと確信する。だが、遺体を塔の先端まで吊り上げたトリックが分からない。
コナンたちは料理が船に載せられ店内の水路を通って部屋に運ばれるという趣向で評判の料亭・流水亭にやってきた。コナンは料理を運ぶ船の動きに興味津々。そんな時、隣の部屋の三人連れの一人が別の客室で刺殺される。死んだのは大学の助教授で、この日は彼の昇進祝いだったという。コナンは船を使ったトリックを疑う。
沖縄旅行を楽しむために少年探偵団の子供たちとコナン、蘭、小五郎は羽田空港からジャンボジェット機に乗り込んだ。コナンの寝顔を見て、蘭は1年前の新一との旅行を思い出す。新一の両親に招待されて二人でロスに向かったその機内で起こった殺人事件は、高校生探偵・工藤新一のデビューを飾った記念すべき事件でもあった。
阿笠博士は伯父が残した別荘にコナンと少年探偵団の子供たちを招待し、隠されている宝を探してほしいと頼む。コナンは50年間誰も足を踏みいれていないはずの別荘に何者かが住み着いていた形跡に気づく。だが、このことは不思議な記号が書かれた食器のかけらと共に博士が仕組んだ宝探しゲームの筋書きにはないものだった。
別荘から不思議な記号のついた品物が10個も発見され、同じ模様のついたハガキが伯母に送られてきたことを阿笠博士が思い出したことから、コナンは暗号を解く手掛かりを見つける。暗号を解き、屋根裏に通じる隠し階段を発見。屋根裏部屋を探索するコナンたちの背後に、おもちゃを壊した犯人の影が忍び寄る。
町内の子供会で人形劇をやることになったコナンたちは、他の子供たちと高原のペンションで合宿することになった。演出をする青年と知り合いの光彦は大はりきりで練習に口を出し、子供たちの反感を買う。休憩後、練習を再開する時間になっても三丁目の子供たちと演出の青年が姿を見せず、人数分の人形も消えてしまった。
事件を依頼された小五郎と、コナン、蘭は絡繰峠の蜘蛛屋敷と呼ばれる鳥取県の旧家・武田家に向かう途中、服部平次と和葉、米人カメラマンのロバートを拾う。武田家当主の信一は、先日納屋で首を吊った出入り業者の根岸を殺した犯人を見つけてほしいと言う。その夜、信一が人形倉の梁から首を吊った無残な姿で発見される。
人形倉の梁に吊された絡繰人形の匠で武田家当主の信一の死は、蜘蛛御前の祟りに見せかけた殺人事件だとコナンと平次は推測する。二人が信一の事件に気を取られている間に、和葉が何者かに襲われる。体を糸でグルグル巻きにされて首を吊られそうになった和葉を間一髪のところで救出したコナンたちだったが・・・。
蜘蛛御前の祟りに見せかけた武田家当主・信一殺しのトリックを解明し、真犯人を割り出したコナンと平次は、関係者を人形倉の二階に集め、謎解きショーを始める。倉の外から信一の首を絞めた方法を説明したコナンは、犯人の狙いと一連の事件の関係を説明するため、武田家の人々に辛い事実を告げなければならなかった。
水族館の水中ショーに招待されたコナンたちは、ショーの主役・大沢美智子がショーの最中に溺死体で発見されるところを目撃する。美智子の足に湿布が張られていたことから、肉離れを起こしたための事故と思われた。が、コナンは美智子のプロ意識の高さと素潜りの実力を考えると、不自然なことが多過ぎると考える。
体調を崩して病院に行った小五郎は、検査結果を家族と一緒に聞きに来るようにと言われ、動揺する。診察をした医師・新出から酒を控えるようにと忠告され、重病ではないと知り小五郎は一安心。その夜、小五郎とコナン、蘭は新出家の夕食に招待され、新出家の家族と食卓を囲むが、肝心の新出が入浴中で待たされることに。
新出医院の院長の入浴中の感電死は、不幸な事故と思えた。が、不審な点が多いことに気づいた目暮警部は、停電中の全員の行動を再現してもらうことにする。事件の停電時間は一分間。だが、再現した暗闇の中ではお手伝いのひかるがブレーカーを上げるのに34秒しかかからなかった。コナンはこの空白を埋める証拠を発見する。
コナンと蘭、園子の三人は遊園地にあるスケートリンクで冬の夜のイベントである花火大会を待っていた。寒さに我慢できずにトイレに駆け込んだ園子は、若い女性の射殺死体を発見する。遺体の近くには血で書かれた文字のようなものがある。これが被害者のダイイング・メッセージなのだろうか?
トイレの壁に残された血文字から、小五郎は千尋殺しの犯人は佐野泉だと決めつける。だが、被害者は即死状態だったと思われ、自分で文字を書き残すのは不可能だ。千尋の携帯電話に残された「KIX」の文字が事件の謎を解くカギだとにらんだコナンは、千尋の仲間たちの会話から、千尋の残した暗号を解くヒントを得る。
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