宮本由美得到一次出差旅行的機會，並約了千水千鈞陪自己一同前往三重縣。二人趕到三重縣交通局的辦事處，先辦理正事，等事情都處理清楚後。當地交通部門的警察們非要給由美接風不可，由美推卻不過，只好答應了。等折騰完，由美已經喝了不少酒，支持不住了，千鈞扶著她跟那些人告辭，那幫警察用羨慕的眼光看著千鈞背著由美離開。
等回到旅館，由美覺得很難受，千鈞苦笑著埋怨，「真是的，不能喝就別硬撐啊！」由美苦笑，「我也不想啊，你也看到了，有些人的職位比我高，實在沒辦法啊，今天多虧有你在，不然……」千鈞冷笑，「你看那幫人，一個個像沒見過美女似的，恨不得把你吃了！」由美有氣無力道，「我早知道他們沒安好心，所以才叫你一起來的。不然我就叫美和子或者高木陪我來了……」千鈞惱怒，「喂喂，我警告你啊，不準讓高木陪你……」由美已經睡過去了，千鈞無奈，只好月兌掉她的衣服，幫她洗完澡，把她抱回床上……
翌日，由美醒過來後，非常開心，昨夜睡得非常舒服，自己這個情人還算蠻體貼的。二人起身到外面吃飯時，由美發現服務員用異樣的眼光看著二人。由美有些納悶詢問千鈞怎麼回事，千鈞低聲道，「你昨晚的叫聲很動听……騙你的了，你昨晚怎麼擺弄都沒反應了……」由美紅著臉用力給他一記粉拳。吃完飯後，二人前往湯之山山間溫泉街，享受溫馨浪漫的溫泉之旅。
湯之山是位于三重縣北部、沿三川的海拔318米斜坡上的溫泉街，建有許多住宿設施。傳說8世紀左右，有位獵人發現這里有頭正在沐浴的鹿，從而找到了溫泉，于是把這里叫作「鹿之湯」。春天可賞櫻，夏天能避暑，秋天有紅葉，冬天可滑雪，還可欣賞霧松，也是眺望伊勢灣遠景的好地方，所以一年四季游客不斷。
某家情人旅館溫泉池，千鈞全力疼愛身材惹火的大美女，由美達到歡樂頂峰發出長吟癱倒在千鈞懷里，千鈞緊緊抱著溫香軟玉，細細地撫模她身上的每一寸光滑柔女敕的肌膚。由美輕輕地低吟著，過了一會兒，嫵媚眼楮里的熱火再次燃燒，二人很快又瘋狂地痴纏在一起……
第二天，二人卿卿我我地穿好衣服，吃完早飯，決定搭乘列車返回東京。沒想到離開溫泉旅館時，在山間街听到了柯南的聲音，「現代社會的困難事件，只要跟人有關聯的案件絕對可以偵破。」二人疑惑走過去，見到了毛利三人組，才知道他們昨天也住在這里，不過是另一家旅館。三人來湯之山溫泉，又是大叔破了案子被當事人請去的，只不過這個案子是個尋找失物案件，大叔自己出馬就搞定了。小五郎本來想約橘真夜一起來的，小蘭發現不妙，帶著柯南，厚著臉皮硬擠掉了另外的溫泉名額，讓老爸的計劃徹底泡湯。
大家一起趕往湯之山車站，小蘭大聲招呼落在後面的毛利小五郎，「爸爸，快點啊！」小五郎搖搖晃晃地走過來，指著前面的列車道，「我們做這列電車要去哪里啊？」小蘭惱怒，「這是花鎮線的電車。」由美指著上方道，「毛利偵探，我們要做的是停在那邊的湯之山線。」小五郎不屑，「坐哪列電車還不是一樣？反正這兩輛車都是要在花鎮車站轉車到東京去的。」
千鈞跟柯南都一臉黑線，小蘭生氣，「真是的，再不快點的話，就要搭不上了。」小五郎抱怨，「我昨晚喝酒現在頭還在痛呢！你不要那麼大聲啦！」由美有些疑惑，「千鈞，我那晚喝醉，第二天好像沒想象中的那麼難受啊！」千鈞好笑，「還不都是我的功勞，你是睡得舒服了，我可伺候你一晚上，第二天你才精神抖擻，不然絕對比大叔還慘！」由美紅著臉輕輕打了他一下，「不準亂說，小蘭他們還在呢！」千鈞笑著表示明白。
在10點鐘時五人堪堪登上即將離開的湯之山線列車，小五郎嚷嚷道，「我不行了，已經不想動了。」然後靠在座位上睡了過去，小蘭和由美分別把東西行李放好，坐下來閑聊。小蘭稱贊湯之山的料理、旅館跟溫泉都沒話說，柯南立即響應。由美見他們姐弟二人如此默契，笑著打趣，「小蘭，你不如給柯南當童養媳吧！」小蘭和柯南都羞紅了臉，大聲嚷嚷起來，千鈞急忙說，「好了，你們不用緊張嘛，由美開玩笑的了。」
由美轉而稱贊毛利偵探的破案能力，柯南暗道，「切，每次破案都不是叔叔，而是我工藤新一！」小五郎有氣無力地謙虛幾句，由于到花鎮站還有1個小時，毛利就蒙住頭睡過去。大家卻听到了兩個男子在吵架，柯南認識他們，是昨天跟毛利三人同住一家旅館的關越醫生會旅游團體成員。戴眼鏡的胖胖男子是佐藤泰三，「喂喂，我又怎麼了？這點小事你根本不用生氣吧！」帥氣的年輕男子是伊達高志，「我不痛快，這段路上我們沒法同行了。我要另外找位子！」說完，伊達就離去了。還好，這趟列車上的人並不多，空位到處都是，跟z國大不相同。
小蘭跟佐藤泰三打招呼，泰三認出了小蘭，美女總讓人難以忘卻，「我們只是為了一點小事吵嘴罷了。」小蘭問其他的醫生們呢，泰三回答，「今早已經解散分頭離開了，其他幾人坐花鎮電車去了，坐湯之山線列車的只有我們兩個了。其實不管怎樣，都要到花鎮換車的。」
隨後，在大家閑聊中列車繼續前行，10:35抵達了水之川車站，小五郎跟泰三都睡醒了。小五郎提議在這里換車不是更好嗎？由美笑著告訴他不可能的，「花鎮線電車過十點半後就已經經過這里了，就在5分鐘之前。現在早走掉了。」小五郎哼了一聲繼續睡覺。列車繼續向前行駛，湯之線列車長進來查票。
等抵達花鎮車站後，大家一起下車，小五郎坐在休息椅上抱怨，「還要再等35分鐘啊！」伊達高志從後面趕過來，跟佐藤泰三打招呼，為自己在車上的失禮進行道歉，泰三笑著表示沒關系的，二人看上去和好了。伊達從車站銷售女那里買了飲料，扔給泰三，然後打開錢包付賬，里面全是硬幣。泰三過來跟小蘭告別，二人轉身離去。柯南沖著伊達大喊，「叔叔，你的衣服扣子快掉了。」伊達大吃一驚，笑著向柯南道謝，然後用大拇指輕輕擦弄那個扣子。
千鈞疑惑，「柯南，這家伙好奇怪啊！」柯南也大有同感。這時候跑過來三個警察，說道，「在5分鐘前到站的花鎮線電車里面發現了尸體，死掉的人好像是個醫生。」泰三懷疑是他們的人，伊達道，「我們剛才是當場解散的，說不定真的會有人去坐花鎮線電車。」二人決定過去看看，千鈞也提議過去瞧瞧，毛利偵探站起身來，「好吧，我們一起過去吧！」小蘭有點擔心，「爸爸，你的酒醒了嗎？」小五郎表示完全醒了，「讓我听到有人死了，怎麼能悶不吭聲呢！名偵探毛利小五郎的血液已經開始沸騰了！」伊達高志听到毛利偵探的聲音，臉色大變。
死者是醫生會的成員內海，昨晚上還跟伊達、泰三他們在一起的。柯南發現伊達的眼神非常奇怪。宮本由美帶著大家過去打招呼，這次負責的警官是鐵路警察主任小林洋介，戴著大眼鏡，見到由美後，眼里都是傾慕的星星。千鈞就明白了，這家伙也是由美的追求者，不過看他的年紀應該過了30歲，可能已經有妻室了。
由美笑著將毛利偵探介紹給小林警官，小林大喜過望，他對毛利偵探仰慕已久了，「非常感謝你協助我們調查案件。」毛利偵探哈哈大笑，「交給我吧！」警方初步判斷內海的死因與心肌梗塞有關，大叔以為是自然死亡，大為失望。柯南發現內海的手腕靜脈處有注射的痕跡，千鈞也看到那里有些血跡，毛利和小林都吃了一驚，仔細查看，果然是針頭注射的。柯南認為注射的是高濃度的氯化鉀，這樣就會讓死者看上去像心肌梗塞死亡了。
柯南的表現讓小林洋介和宮本由美都大為欽佩，毛利偵探身邊的孩子都如此了得，果然名不虛傳。小五郎卻很生氣，讓柯南閉嘴。千鈞也認為醫院里肯定有注射器和氯化鉀這些東西。泰三稱贊柯南懂得真多，柯南急忙說自己一直很喜歡化學，千鈞也笑著說這個小鬼最喜歡偵探游戲了，大家這才釋然。
小林警官說注射器沒有找到，柯南插嘴說這次事情應該是謀殺，而不是意外或者自殺。毛利偵探很生氣，抓起柯南將其扔給小蘭，「看好他，老給我搗亂。」小五郎判斷是一起強盜殺人案件，因為死者錢包里面的錢都不見了。千鈞也發現內海的右手彎曲骨折，毛利認為是凶手要搶錢，死者拼命抵抗造成的，強盜一怒之下將內海殺死了。千鈞疑惑，「不對啊，毛利叔叔！如果是這樣，凶手何必再注射針劑把被害人殺死啊？」小五郎不屑，「你這個糊涂小子，不要干擾我辦案啊！強盜可能學過醫學上的注射方法，故意用此來偽裝成內海是意外身亡的……」
漂亮的鐵路銷售小姐提到，內海向她購買飲料是10:50，當時快要抵達花鎮車站，內海是最後一個下車的人，他用帶來的大筆硬幣來付賬，銷售小姐還找給他一些零錢，當然也是一些小額硬幣，當時內海的確是一個人在座位上。滿身珠光寶氣的貴婦人聲稱，在下車時，她看到內海身邊有一個穿著深藍色外套戴著太陽眼鏡留著胡子的男人，神秘男子很快就離開了。小林警官由此判斷行凶時間是在10:50至10:53之間。
柯南發現伊達的外套是雙面穿的，里面顏色正是深藍色。他的扣子之所以快掉了，是內海臨死前抓的，所以他會擦拭紐扣的表面，是防止留下指紋。伊達把內海的手掰開，才導致內海的手指出現彎曲骨折。柯南只是奇怪，伊達是怎樣把另一輛列車上的人殺死的？
小五郎坐在椅子上打哈欠，柯南詢問為何停止工作了，小五郎道，「當然了，強盜的手法已經破解了，名偵探的工作也結束了。」千鈞忍不住問，「毛利大叔，你再想想，真的是強盜殺人案件嗎？」小五郎笑著說當然是了，柯南認為肯定不是，小蘭問柯南為何這麼肯定，柯南指著那位貴婦人道，「那位目擊的阿姨看上去不是更有錢嗎？當時她就坐在死者附近，為什麼凶手不攻擊這個阿姨，反而選上那位叔叔，那不是更危險嗎？」由美大聲贊嘆，「柯南，你真的好厲害，非常有道理啊！」小蘭也說的確很奇怪。
千鈞發現那位佐藤醫生一直在擦汗，毛利偵探上前詢問，「佐藤先生，你是否知道什麼隱情？」泰三結結巴巴地說，「我怎麼會知道……」伊達冷笑，「算了，你就說了吧，沒關系的。內海昨晚跟我在旅館大吵了一架，警方遲早會知道的。」二人吵架的原因是一件無中生有的中傷事件，伊達如此解釋，「其實收受回扣的事情我根本不知道，真是傷腦筋啊，你們不會在懷疑我吧？」
小林警官說，「不會啊，你跟死者不在同一列車上，當然不可能行凶的，這些人都可以證明。」柯南詢問泰三，「佐藤叔叔，你為什麼要搭乘湯之山線列車而不是花鎮線列車？」泰三笑著說，「其實無所謂，主要是伊達已經替我買好票了。」千鈞疑惑，「你們感情這麼好，之前在電車上為什麼吵架呢？」泰三笑著說，「我想把車票錢還給伊達，可是伊達說什麼也不收。我要把錢硬塞給他的時候，他就生氣了，後來就去了別的車廂，那會兒還真是傷腦筋啊！」
柯南判斷伊達的所有行動都是有預謀的。柯南詢問由美，知道湯之山線電車跟花鎮電車中間交叉的站點只有水之川車站，花鎮電車到達水之川的時間是10:30，湯之山線電車是五分鐘後，花鎮電車當時已經離開了才對。柯南的推理陷入死胡同，千鈞拿起手機跟靜楊打電話，「是啊，踫上柯南跟毛利叔叔，出了人命了，我們要晚點才能回去了。」
柯南恍然大悟，凶手可以利用手機。小蘭突然驚叫起來，「糟了，園子托我在溫泉街買的紀念品，我都忘在電車里了。」由美道，「那趕快跟電車車長打電話，讓他們晚一點發車吧……」打完手機後，小蘭匆匆跑過去取東西。柯南完全明白了，原來是凶手也是用了這樣的借口啊。
柯南趁機把大叔騙到車站的職員休息室，將其麻醉，大叔奇怪，酒還沒醒啊，就暈了。小蘭跟車長道謝後，听到了喇叭里面傳來小五郎的聲音，讓大家都趕去集合，開始進行推理秀，因為他已經知道凶手是誰了。
伊達氣勢洶洶地說自己很忙的，小林警官也詢問怎麼回事，毛利偵探道，「給我15分鐘就可以解開案件了。」伊達大笑，「你是說15分鐘之內你就能逮捕凶手嗎？」小五郎肯定，「你說的一點也沒錯，伊達醫生！」伊達冷笑，「那你的意思是要逮捕我了？」千鈞奇怪，「毛利叔叔還沒有說你是凶手，你就不打自招了嗎？」伊達一愣，「這個……」小五郎冷笑，「沒錯，凶手就是伊達高志。」
大家都大吃一驚，小蘭提出疑問，「伊達醫生跟我們在同一列車上，不可能殺死花鎮電車上的內海醫生啊！」千鈞想起來，「在我們上車後不久，我們就沒有看到他了。下車後，在花鎮站台才看到他的。」小蘭點頭，「的確是這樣，難道他換車了嗎？」由美疑惑，「唯一能換車的地方在水之川車站……」小林警官搖頭，「不可能的，時間來不及啊！」
伊達囂張地拿出列車時刻表，說明了兩輛列車之間相差5分鐘，是不可能的。千鈞大怒，「難道花鎮線電車不會晚點5分鐘嗎？」小林警官一愣，「一般情況下，我們這里的所有列車是不會晚點的。等一會兒，我去查一下，如果晚點的話，肯定會有報告送上來……」毛利偵探開口，「不用了，有沒有晚點都一樣。只要有一部手機就可以做到這種事情了。」
毛利偵探解釋，伊達高志提前用手機打電話過去，說自己在花鎮線列車上忘了東西，待會兒要過去拿，請他們暫時保管。到達水之川車站前，伊達故意跟泰三吵架，移動到第一節車廂做準備。伊達將外套反穿，戴上墨鏡進行偽裝，下車後利用月台之間的天橋趕到6號月台上，換乘花鎮線列車。花鎮線列車為了等失主，就延後5分鐘發車。伊達上車後，找到內海，用注射器將氯化鉀注射入內海靜脈中，將其殺害。在抵達花鎮車站後，伊達下車去掉偽裝，等湯之山線電車到站後，大家開始下車，伊達故意從後面追上來，讓大家以為他落在後面。
小林警官很快證實了，花鎮線電車的確因有人要尋找失物延遲了5分鐘發車，但最後車長跟乘務員沒有找到失主所說的重要東西。伊達高志囂張地不肯承認，請毛利偵探拿出證據來。千鈞想起中途車長檢票蓋章，「伊達醫生，請你拿出湯之山線電車的車票來讓我們看看吧！我記得過了水之川車站後，車長才進行了查票的。你沒有換乘的話，上面應該有查票的蓋戳。」
小林警官要求伊達馬上出示車票，伊達裝酷說車票自己丟掉了，「你們這麼懷疑我，到底是什麼意思？我看你們根本找不出證據來，哈哈……不好意思，我不能再陪你們玩游戲了，我忙得很……」伊達拿起包起身離開，千鈞大怒，揪住他將其打倒在地，「你裝什麼傻，你以為你想走就可以走嗎？你現在是重大嫌疑人，你不懂日本法律嗎？沒有負責警官的許可，你哪里也不能去！」
伊達灰頭土臉爬起來，「混蛋，怎麼可以這樣做？我要找律師來……」由美冷笑，「就憑你有重大殺人動機，也沒有任何不在場證明，警方隨時可以拘留你3天，如果情節嚴重，像你這樣的故意阻擾警方辦案，可以拘留7天，你找律師來也沒有用！」小林警官示意，兩名助手將伊達押了回來，伊達老實了很多，「哼，就算這樣，你們也沒有足夠的證據，上了法庭法官也會判我無罪的……」
小林警官苦笑，「毛利先生，現在怎麼辦啊？我們手頭上的證據不夠啊，沒有辦法證明他換乘了列車。拘留7天後恐怕還得將他釋放……」毛利偵探開口，「伊達先生，我記得你的錢包里面有一堆硬幣吧？你為了造成強盜搶劫假象，把被害人的錢全拿了過來，硬幣上一定會有指紋的。」伊達冷笑，「讓你失望了，毛利偵探。我昨晚跟內海在一起時交換了香煙跟硬幣什麼的，所以上面有我們兩個的指紋也不奇怪。」
千鈞大怒，「有這個證據就足夠逮捕你了，哼，上了法庭就得看法官跟陪審團是否相信你的巧言解釋了！」小林警官點頭，下令立即給伊達戴上手銬，「不過，這樣的話，他還是有相當大的可能月兌罪的，毛利偵探，還有沒有別的證據？」毛利偵探嘆息，「你們都搞錯了，我剛才說的不是被害人的指紋啊，而是那位漂亮的鐵路銷售小姐的指紋！內海在臨死前掏出一大把硬幣向她買了飲料，那位小姐將找的零錢硬幣親手遞給給了內海！」
大家都明白過來，由美笑道，「當時伊達醫生應該在湯之山線列車上才對，如果花鎮線銷售小姐的指紋出現在伊達的硬幣上的話，就足以證明伊達醫生就是凶手了！」伊達高志徹底癱倒在地，眼楮里的神采消失不見了。原來，那個謠言是真的，伊達高志收受醫藥公司的回扣，剛好被內海發現了，還拍下照片，內海趁機對伊達進行勒索，否則就要向醫師學會舉報他。按照日本的規定，如果醫師學會發現醫生收取賄賂回扣的話，會吊銷醫生的行醫執照的。所以伊達處心積慮設計了列車手法事件殺死內海滅口，本以為自己的手法是天衣無縫的。
毛利偵探冷笑，「不管是什麼樣的名醫都是普通人，再謹慎小心也會有誤診出現。普通人所犯的罪行是不可能天衣無縫的。」小林警官向毛利偵探表示感謝後，命令手下押著伊達離開了。小五郎清醒過來後，覺得睡得真舒服。由美稱贊他不愧是名偵探，千鈞急忙提醒毛利破案的結果。毛利疑惑，「我們怎麼還在這個地方？」柯南道，「不如在花鎮附近的溫泉街再住一晚好了！花鎮溫泉也不錯的！」小五郎點頭，表示可以。小蘭也大喜過望，「這樣太好了！」由美苦笑，「千鈞，看來我們還得在這里住一晚了。」千鈞笑道，「怎麼你不喜歡嗎？我會好好疼你的……」由美紅著臉啐了他一口。
尾聲，伊達高志因收取回扣，殺害同行內海醫生，被法庭判處6年徒刑，當然，他的行醫執照也被吊銷。毛利小五郎破獲列車換乘案件，鐵路警察局給以b級獎勵。醫生收取賄賂跟回扣的問題，在社會上引起很大反應，很多媒體報紙都批評了這種不道德違規的行為，醫師學會也表示會加大這方面的查處力度，歡迎民眾監督舉報。