千鈞開車帶靜楊、小雅、直子和毛利三人組前往電影院觀看著名的恐怖電影《死神陣內》，電影里的死神要取缺德律師黑田憲三的性命，里面的死神是個戴著骷髏頭的人假扮的。等到片頭結束，出現字幕和悠揚的背景音樂的時候，小五郎已經睡著了。柯南汗，「有人在電影剛開始5分鐘就睡著的嗎？」千鈞好笑，「這才是沉睡的小五郎……昨晚肯定又喝多了！」
電影首映結束後，大家都在大廳討論。小蘭抱怨，「爸爸也真是的，我們好不容易抽中獎能夠參加試映會，你卻一直在睡覺。」靜楊稱贊，「小蘭，你的運氣總這麼好啊！」直子道，「我們幾個可是花錢才來的。」小雅也說，「這個首映式的門票很貴，而且是限量的。」小五郎沒好氣，「我有什麼辦法，我也是昨晚工作熬夜太晚了！」小蘭絲毫不給老爸面子，「是熬夜喝酒吧！」
柯南轉移話題，覺得這部電影有點沉悶。小蘭卻認為挺好看得，靜楊她們三個也贊成。千鈞支持柯南，說這部電影太老套了。小五郎也說沒什麼新意。小雅哼了一聲，「男人都是喜新厭舊，沒個定性……」千鈞三人都汗，這都什麼跟什麼啊！看著牆上的宣傳海報，死神下有一對男女。剛巧一個男子走出來，被記者們圍住了。靜楊說男子就是扮演死神的南條隼人，他今年42歲，看上去比較正統。
一位茶色長發雍容典雅的女子走過來跟小五郎搭話，「請問，你就是名偵探毛利小五郎先生嗎？」小五郎立即來了精神，「沒錯，我就是！」這位戴著漂亮耳環的女子名叫南條御幸，37歲，是南條隼人的妻子。小五郎立即見風使舵，「你好，南條太太，這部電影還真好看！」大家汗，「剛才可不是這麼說的！」
南條御幸說有件事情想跟小五郎仔細商量一下，就請毛利到辦公室去。大家覺得小五郎有工作要辦，靜楊她們3人就先離去了，她們已經約好去花井和曉月的公司參觀。千鈞本來也想離開的，卻被大叔抓去當了司機。到了一棟大樓後，進入辦公室，小五郎稱贊房間很漂亮。御幸笑道，「我們還正愁找不到新的地方呢！」說話時，一位戴眼鏡的女子端上咖啡。
這位身穿綠色上衣的女子叫做吉野里美，短發秀氣，今年28歲，是南條的經紀人。御幸讓里美將東西取來，里美猶豫一下下去拿來一封恐嚇信。上面寫著，「今晚我將取南條隼人的小命，死神陣內上。」御幸說，信是今早在郵箱里找到的。小五郎問是否報警，御幸說還沒有，南條隼人走進來，「沒那個必要，這種事情一看就知道是惡作劇。」御幸擔心，「可是，老公……」隼人大怒，「我不是說過，你任性也要有個限度嗎？非常抱歉，毛利先生，你們幾位可以回去了。」
御幸有些難過，小五郎道，「南條先生，尊夫人可是為了你的安全操心啊！」隼人不屑，「就算信上所說是真的，我也能夠保護好自己。總而言之，我有很多事要忙，你們幾位請回吧！吉野小姐，你今天也可以下班了。」說完，南條進了社長室，將門關上。但是，這件事情，媒體很快也知道了，還有女記者來到外面做現場報道，「話題人物死神陣內，真會出現在這里作案嗎？因為名偵探毛利小五郎也出現在這里，所以更讓人緊張。」
這時，已經是晚上9點了，靜楊她們3個得到消息，也特意趕過來給大叔助威。小五郎在鏡頭前顯擺吹噓，柯南汗，「你到底搞什麼鬼啊！」其實，毛利目的很簡單，有這麼多人在這里盯著，嚴密戒備，「南條夫人，你放心吧，相信那個壞家伙不敢輕舉妄動的。」走過來一個戴眼鏡的男子，名叫大野忠雄，45歲，節目制作人，「毛利先生，你不用這麼努力吧？這樣那個死神是不會出現的。」大野認為這次的事件，是南條隼人為了宣傳電影搞得噱頭。
御幸惱怒，「你真失禮，胡說些什麼！」小五郎急忙勸阻，見大家火氣都很大，小蘭說去買點喝的，靜楊她們3個和柯南就陪同小蘭一起去。在自動販賣機前，柯南看到了吉野里美坐在咖啡廳里。小蘭也奇怪，「她怎麼還沒回去呢？」柯南疑惑，「她在那里干什麼？」靜楊道，「是不是跟人約會？」小雅搖頭，「可是里面只有她一個人啊！」直子也道，「就算等人，現在也太晚了。」小蘭推斷她想從這里觀察辦公室的狀況，「我想她一定在為南條先生擔心。」隨後，4個女生說笑著離去，柯南只好跟在後面。
已經快10點了，南條隼人的房間燈還亮著，他還沒有離開。千鈞發現大野導演不見了，兩個工作人員甲乙說他去洗手間了。千鈞疑惑，「這也太久了吧！」工作員丙就說自己去看看吧。這時，死神陣內戴著骷髏面具突然出現在遠處，大家嚇了一跳。電視台的工作人員匆忙去搬攝影機，小蘭靜楊她們4個嚇癱了，一起緊緊抓住千鈞不敢松手。千鈞汗，你們是來幫倒忙的吧！他感覺到這個死神不是什麼超級戰士，而是正常人假扮的。小五郎和柯南飛奔追去，工作人員跟在他們後面，千鈞帶著臉色發白小蘭她們和南條夫人落在最後，死神逃到遠處公園的灌木叢中不見了。
柯南大叫不好，「中了調虎離山之計了！」大家急忙向回跑，來到大樓前踫到了吉野里美。她說看到死神陣內進入大樓里面了，毛利抬頭，發現南條房間漆黑一片。這時，樓上傳來槍聲。小五郎大怒，「千鈞，你跟小蘭她們4個守住門口，我進去抓人。」隨後小五郎和御幸、里美、工作人員們進入大樓，柯南要跟上，被小蘭抓住，「你進去做什麼，跟我們留在這里吧！」
小五郎他們趕到電梯前，按動向上按鈕。千鈞盯著大門口，小蘭她們4個和電視台的美女記者站在稍遠的地方觀察，柯南發現南條房間的燈亮了，窗戶上出現黑色的人影，又倒了下去。柯南匆忙也跑了進去，追上等電梯的小五郎，「大叔，凶手還在7樓，我看到影子了！」大家乘電梯趕到7樓後，小五郎第一個沖出電梯，結果被膠帶纏住腳摔倒在地，其他人跑到前面去了。柯南發現這些膠帶是絕緣的。御幸發出驚叫，里美將其摟住安慰，小五郎和柯南急忙過去，發現南條隼人頭部都是血，已經在窗戶旁邊倒地斃命了。
目暮警官帶隊趕到，警察們馬上封鎖了現場和大樓。目暮疑惑，「毛利老弟，然後凶手就從現場突然消失了？」小五郎點頭，「這里的窗戶是在里面鎖死的，根本打不開。如果要逃跑，必須利用電梯和逃生樓梯才行。但我們趕到時，凶手已經不見了。」目暮問千鈞，「你確定在我們趕到前，沒人離開大樓嗎？」千鈞點頭，「我一直守在大門口，電視台的女記者也在，還有小蘭她們，絕對沒人離開。」目暮詢問逃生樓梯，里美說，大樓的逃生樓梯到1樓後，會引導到與電梯同樣的方向。如果要出去，必須經過同一個出口才行。
千鈞也道，「我一直注意著樓梯那里，可是沒有任何人下來。」目暮傻眼了，「照你們這麼說，凶手像煙霧一樣消失了！」柯南低頭不語，小蘭問他發現什麼，柯南道，「你們不覺得奇怪嗎？因為這個房間的燈亮時，凶手明明站在窗戶旁向外看，可日光燈的開關卻在門口的牆上。凶手是用什麼方法將燈打開的呢？」靜楊也道，「你這麼一說，還真是奇怪啊！」柯南卻在思索，「凶手在殺人後，為何要將燈打開呢？」
目暮也注意到了，「凶手為什麼要在房間放上長長的絕緣膠帶呢？它留在命案現場有什麼用？」小五郎認為膠帶是用來將人絆倒，這樣一來凶手就可以趁機逃月兌了。電視台的工作人員卻說，「可剛才被絆倒的只有毛利先生啊！」柯南在傳真機上發現了南條確定稿子的傳真，上面寫著10:03，也就是南條被殺不久前，剛好是死神陣內出現在公園的時刻。毛利偵探痛扁柯南，「不要亂踫現場的東西！」
里美說那是下個星期要在雜志上刊登的一份采訪稿件，南條隼人留在公司就是在等這份傳真。這時，警員甲抓來一個在外面鬼鬼祟祟很可疑的人，大家一看是大野忠雄。毛利頭疼，「大野先生，你剛才跑到哪里去了？」大野說他從洗手間出來就沒有看到大家，就到公園里面去找。御幸突然很激動，說一定是大野殺了自己的老公。大野大驚，「你在說什麼啊？」小五郎也道，「當時不在凶案現場的所有關系人，沒有不在場證明的只有你一個。」
御幸說大野一定是為3年前的那次意外懷恨在心，所以殺了隼人。目暮詢問怎麼回事。大野只好解釋，他現在制作的都是些新聞電視節目，以前是專拍電影的導演。3年前，大野拍攝死神陣內電影時，發生了意外，就只好轉到電視界了。當時，替身演員沒有及時趕到，南條隼人堅持開拍，並且說服了男主角北野廣之。就這樣，在南條反復慫恿下，北野自己出演了危險的動作部分。但是越野車爆炸了，北野就此一去不回。大野忠雄負了全責，不得不辭去導演工作。
大野承認自己對南條懷恨在心，但有一個人比自己更恨南條，「她就坐在那里。」大家一愣，大野指的竟然是吉野里美。原來，里美和北野是一對恩愛情侶。南條御幸也不知道這件事情，「是真的嗎，里美？」里美點頭，他們以前的確是男女朋友，並且率屬于同一家經紀公司，里美當時是個不出名的女特技演員，「當年的事情只是場意外，我沒有因此懷恨南條先生。」小蘭她們4個一起作證，「在南條先生被殺的時候，吉野小姐一直跟我們一起站在大樓前面。」
攝影工作人員說起他們拍到死神陣內的樣子了。目暮大喜，讓馬上拿來看看。御幸說6樓就有放映機，里美說馬上去準備一下。柯南還是想不通，「為什麼凶手在公園讓大家故意看到自己呢？」千鈞低聲道，「不是調虎離山嗎？凶手是不是有個同伙？」柯南搖頭，「窗戶的影子就更奇怪了，這其中一定有特殊的緣故。」下面突然傳來槍響，大家大驚。
小五郎和目暮、柯南跑到電梯前，毛利按動電梯，「快點上來！」千鈞大怒，「豬啊，走樓梯不是更快嗎？」說完帶頭向下跑。大家趕到樓下，發現里美跌坐在地，說死神陣內跑出去了，大家大吃一驚。千鈞急忙順著樓梯追了下去。然而，讓千鈞想不通的是，死神竟然消失了，樓前負責封鎖的警察都說沒有注意到有人跑出來，他們都盯著外面的人群。
里美說她到了6樓的辦公室後，踫到了躲在里面的死神，他開槍後逃走了。千鈞抱怨，「目暮警官，你的人是怎麼搜索的？案發都過了1個小時了，竟然還讓凶手藏在房間里。」目暮有些尷尬，這些機動隊員真是粗心。柯南更奇怪，「凶手是怎麼躲過警察搜查的，他為什麼要向里美開槍呢？這不是故意引起警方的注意嗎？悄悄逃走不是更好嗎？」
登米鑒識過來報告，現場查驗完了，但沒有發現任何槍彈痕跡。目暮頭疼，如果凶手已經逃出去了，那可就很難抓回來了。電視台工作員準備好放映錄像了，大家一起觀看。柯南發現放映機下面有個磁帶還是溫的，而且沒有倒到最後。里美將磁帶拿走，「柯南，這個可不能隨便亂踫啊！」柯南裝可愛，「對不起。」
但實際上柯南猜到了凶手使用的方法，又跑到7樓仔細觀看了所有的傳真信件，「凶手就是那個人。」小五郎大怒，「柯南，你不要在這里到處亂晃！」柯南讓小五郎仔細看傳真件，毛利低頭，覺得沒什麼異常，柯南笑著發射了麻醉針。于是，沉睡的小五郎出現，柯南讓千鈞準備好後，就打電話告訴目暮凶手還沒有消失，「她從一開始就不在那里。」目暮糊涂了，「這到底是什麼意思？」
毛利解釋，其實大家在樓外跑時，南條隼人已經被凶手殺害了。目暮反駁，「柯南不是看到了7樓的人影嗎？」「那是凶手故意設計的手法，我馬上示範給大家看。請大家馬上到7樓來。」大家到齊後，千鈞開始按照毛利的指示演示手法
首先，凶手將南條隼人殺害，將房間的燈關掉。再用絕緣膠帶從窗戶下方，貼出一個看似黑影的紙人。接著再利用釣線將電梯內側上方跟外側電梯門之前的空隙綁緊，然後把釣線拉到房間，環繞日光燈開關上，再將釣線扯到窗戶上的絕緣膠帶，綁住膠帶的最後一個環。接著不管誰要到這個現場來，在1樓按電梯的話，電梯就會下去，利用釣線扯動開關打開日光燈，外面的人就看到了窗戶的人影。隨後，窗戶上的人影也被線扯走。在外面的人看，就好像一個人倒地消失一樣。膠帶被線拉到電梯前，釣線斷了，紙卷就留在上面。
小雅問，「大叔，那我們在樓下一起听到槍聲又怎麼說呢？」小五郎道，「槍聲是事先錄在錄音帶上的聲音。」凶手用裝了消音器的手槍殺死南條後，再做好剛才的電梯手法，利用逃生梯走到6樓，這個時候才將錄了槍聲的錄音帶，放進錄音機播放。目暮點頭，「的確，從大樓下面听起來，是搞不清楚槍聲從哪個樓層傳出來的。」
這卷有槍聲的錄音帶大概有15分鐘的部分是空白狀態，凶手就是利用這段空白的時間，打扮成死神陣內的樣子出現在公園里，再將大家引到大樓前，假裝跟大家巧遇。這樣就為凶手制造出一場听到槍聲的不在場證明了。目暮打斷，「等一下，毛利老弟，這麼說這個凶手是……」「沒錯，我們之中能夠設計這套手法的只有吉野里美小姐，只有你一個人！」
大家都很震驚，毛利嘆息，「吉野小姐，你這個手法有很多破綻，不僅留下了很多證物，事情能夠這麼成功有一多半是運氣不錯。首先，你扮成死神陣內遠遠出現在大家面前時，小蘭她們4個被嚇倒了，拖了千鈞的後腿，否則你可能已經被他抓住了。其次，你這個手法必須要大家一起乘電梯上來，如果當時千鈞不是守在大樓出口的話，他會在大家等電梯下來時沿著逃生樓梯跑上來，那麼你在7樓的所有布置就都白費了。或者當時大家不乘電梯，而是有人走樓梯的話，結果也是一樣的。」
千鈞反對，「大叔，凶手不一定是吉野小姐吧，大野導演也有可能啊。再說，我們還一起听到了第二聲槍響呢！里美小姐沒那麼笨吧？何必畫蛇添足來這麼一槍呢？」毛利搖頭，「第二聲槍響不在她計劃之中，而是意外。」因為里美忘了，那個自動回帶的按鍵沒有按掉。在她的計劃中，原本錄好的是一卷60分鐘錄音帶，所以在案發一個小時後，大家才會听到同樣的槍聲。那時候里美剛好到樓下，去準備放映機，順便把電梯的釣線取了下來。但是槍聲突然響了，里美在驚慌之下將錄音帶藏了起來。還沒等收拾利索，千鈞就帶頭沖到跟前，她不得不撒了個拙劣的謊言，所以千鈞怎麼追趕都追不上死神，而鑒識人員也找不到槍彈痕跡。
千鈞苦笑，看來除了里美不可能是別人了。吉野里美進行最後的垂死掙扎，讓毛利偵探拿出證據來。毛利偵探請目暮警官仔細看看那些傳真稿件，「其中一頁應該沾上了一點痕跡。因為里美小姐行凶時，這些傳真正一份份地傳進來。」目暮警官發現其中一頁沾有血跡，「真是的，毛利老弟，這麼重要的證據，你應該早點告訴我啊！」而這個傳真稿件上標明的時間才是真正案發的時間，9:59分。大家在樓下听到槍聲時，大概是10:15分，其實在那之前的15分，南條已經遇害了。
「還有你從柯南手中拿走的錄音帶，里面應該錄有槍聲才對。死神陣內出現在公園，能敏捷地擺月兌大家，也只有動作片女演員出身的你，才能做到。」事已至此，吉野里美承認了罪行，動機是為男友北野廣之報仇。當年的事情並不是意外，里美看到了北野的日記，知道他即將取代南條，接任第二代死神陣內。
為了查明北野的死因，吉野忍辱負重進入了南條的公司。大概在1個月前，南條喝多了，在車上摟著吉野里美，說出了當年的真相。南條隼人為了防止被取代，故意讓替身演員那天不要去拍攝現場，又在越野車上動了手腳，取走了前輪的鉚釘，導致了北野廣之的死亡。里美寄出恐嚇信，是想利用媒體做不在場證明。她故意騙南條說，可以同時為電影做宣傳，南條就欣然答應了。
小五郎清醒過來後，目暮警官已經給大家做好了筆錄。千鈞急忙過去，提示了剛才破案的大致經過。毛利大為欣喜，大家一起來到外面，相送吉野里美。臨上警車時，里美回頭說，「死神陣內對陣名偵探毛利小五郎，看樣子死神陣內完全敗北。」小五郎哈哈大笑，「這是當然了，在毛利小五郎的字典里，沒有無頭案這個名詞！」毛利吐著舌頭哈哈大笑的丑態讓記者們拍個正著，小蘭皺著眉頭抱怨，靜楊她們都嬌笑，「這才像大叔的作風！」柯南低聲道，「每次都是誰幫你的！」千鈞也道，「你的字典里，都是吹牛這個名詞吧！」
尾聲，吉野里美為男友北野廣之報仇，殺死南條隼人，被法庭判處3年徒刑。南條殺害北野的真相也公布了，但南條已死，法庭不再追究。整個案子中，受傷害最大的是南條御幸，她的丈夫被自己最信任的朋友所殺，這個打擊相當大。毛利小五郎破獲死神陣內殺人事件，警視廳給以b級獎勵。毛利偵探再次名聲大震，成為報紙電視的風雲人物。