운행 중에 추리 게임이 진행되는 미스터리 트레인에 소년 탐정단과 함께 탑승하게 된 하이바라 아이와 에도가와 코난. 미스터리 트레인에서 시작될 추리 게임에 대한 기대도 잠시, 소년 탐정단에게 의문의 미션이 담긴 봉투가 도착하고 곧이어 열차 내 밀실 살인 사건이 일어난다. 한편, 사라진 조직원인 셰리를 추적하고 있는 검은 조직의 진은 미스터리 트레인에 그녀가 탔을 것이라고 추측하고… 베르무트, 버번까지 합세해 하이바라 아이가 절체절명의 위기에 빠지게 된다! 미스터리 트레인, 그 안에서 발생된 밀실 살인 사건의 진실은!? 하이바라 아이는 검은 조직의 눈을 피해 무사히 도망칠 수 있을 것인가?