某日清晨，千鈞帶著靜楊、小雅、直子幾人前往米花綜合醫院看望住院的毛利小五郎。外面傳來清脆的鳥叫聲，小蘭和柯南也在病房里，小五郎在床上伸個懶腰，「真是無聊死了！」小蘭在旁邊嘲諷幾句，說話間文良和雲靈也帶著禮物來看望毛利偵探。說起來，毛利已經住院3個星期，在此之前，毛利大叔在受委托辦案時抓捕一個搶劫傷人的罪犯，犯人拼命反抗，二人在纏斗中，毛利的腿不小心踢到了鐵管上面，于是悲劇了。
幸好，千鈞及時趕到，輕而易舉從後面擊倒了凶犯。說起來，順利找到這個犯人還多虧了柯南的推理，當然最後的功勞都是毛利偵探。事情結束後，警視廳還給以毛利小五郎c級獎勵，那個委托人還負責了小五郎的所有治療費用，這家醫院也是委托人選中的，據說在骨科治療上非常出名。
靜楊笑道，「原來這樣，我本來還奇怪，毛利叔叔為何沒有去成實姐姐那里。」小蘭也道，「不過，爸爸最近一直忙得很，好好休息也不錯。」直子笑道，「當然，大叔現在是名偵探，案件肯定很多，這次好好休息一陣子吧。」小蘭將手中的一粒葡萄扔到小五郎嘴里，門打開了，走進一位美女護士，「到了吃飯時間了。」小五郎大喜，「終于到了吃飯時間了！」千鈞很快就問明白了，這位美女護士名叫中山和美，今年26歲，「看來名偵探的肚子餓得比別人還要快哦！」小蘭笑著接過餐盤，端到毛利床前，小五郎有些無奈，「真想喝點啤酒吃點壽司什麼的……」
大家都笑了，文良道，「大叔真是死性不改啊！」雲靈打趣，「毛利叔叔，你這樣都不像名偵探了！」小蘭也抱怨，「真是丟死人了！」千鈞贊成，「有和美小姐這麼漂亮的大美女在這里，還惦記什麼啤酒，難道沒听說過什麼叫秀色可餐嘛……哎呦！」小雅不著痕跡地扭了他一下，「真是的，你老毛病是不是也犯了？」千鈞看見靜楊和直子的眼里都出現寒光，急忙說沒有，又打諢將話題岔開。柯南好笑，「這家伙還是老樣子，看見美女就走不動了。」
中山和美見千鈞稱贊自己的容貌，大為高興，發出銀鈴般的笑聲，「不過，我們護理部這幾天都在討論說希望能看到大名鼎鼎的名偵探。」小五郎大喜過望，「你們這些白衣天使，都在談我？」和美笑著表示肯定。千鈞暗怒，接近美女的好機會被大叔給搶了。說話間，走進一位長相陰森的男醫生，「連我也希望有機會能跟你這位名偵探談一談，肯定能增長不少見識。」此人是毛利的主治醫師，白井光雄，今年40歲。大叔難得謙虛，「怎麼連白井醫生也這麼說，哈哈……我都有些不好意思了！」
這時，又走進一位臉上有厲色的男醫生，「什麼增長見識？大偵探，你最好小心不要變成他的實驗品。」此人名叫江藤勝利，同樣是醫院的醫師，40歲。白井大怒，厲聲道，「你太失禮了！」江藤擺手，「你不要這麼恐怖嘛！大偵探，如果某日我被殺的話，凶手一定是白井醫生。」說完江藤哈哈大笑離去，白井臉色很難看，大家都看得目瞪口呆。白井解釋，江藤跟他是醫科大學的同班同學，二人都是外科醫生，「他的嘴巴一向很毒，不過他在外科手術的功力上可是一流的。」
柯南吐槽，「功力一流，個性不敢恭維。」千鈞低聲道，「看來他們兩個的矛盾很深啊！」柯南點頭。稍後，大家相繼起身離去，到了晚上，下起大雨，小蘭也打算攜柯南告辭離去，千鈞特意過來接他們回家。這時，白井端著一杯啤酒走進來，說要听小五郎好好談談辦案的事情。小五郎見酒大喜，「說起我辦的案子，出名的那可太多了。」隨後毛利開始自吹自擂起之前的案件，白井在咖啡里放入了大量的糖，千鈞疑惑，「好像太多了吧。」柯南也覺得有些不對勁，小蘭急著回去，催促二人，二人只好起身離開，可是二人都對白井的行為感到疑惑。
當夜，小五郎從睡夢中驚醒，發現白井不知道什麼時候離去了，他在對面的窗戶處看到了有人持刀殺人的影像。小五郎抄起拐杖匆忙趕過去，並且通知了前台的2名美女護士。惠子護士跟著毛利趕到現場房間，發現里面空無一物，惠子說這是間空病房。隨後有2名警察接到報警過來，毛利只好說尸體不見了。江藤和白井都聞訊趕來，江藤指責毛利胡鬧，毛利爭辯自己的確看到了。白井也認為毛利的精神有些不太好，可能看錯了。毛利也有些困惑，他的確在跟白井聊天的時候就不知不覺睡著了。江藤嘲笑，「看來我們的名偵探也有疲倦的時候，居然讓大家虛驚一場。」大家都認為是誤會，病人們、護士醫生和警察各自離去。
但隨後幾個晚上，毛利偵探連續數次看到了行凶場面。結果每次都虛驚一場，毛利有些迷糊，明明看到了，怎麼會沒有人呢。千鈞和柯南、小蘭都趕到醫院。白井醫生認為毛利小五郎的處理案件過多，精神壓力太大了，也許是產生了幻覺。小五郎堅持絕不是幻覺，小蘭安撫激動的父親，臉上都是擔憂。千鈞和柯南都覺得事情蹊蹺，大叔雖然有時候糊涂，但還不至于荒唐到產生幻覺的程度。千鈞懷疑，「是不是有人在進行殺人演練，故意制造狼來了的故事？」柯南搖頭，「如果是演練，不被人看到不是更好嗎？現在最好去現場看看。」
二人來到病房現場，柯南在窗戶前地板上發現了些痕跡，千鈞記得當日夜里有下雨。柯南判斷當日這個窗戶是打開的，毛利的病房在對面的七樓。千鈞發現正對著這個房間的窗戶沒有窗簾，「也許那個房間沒有使用吧。」柯南眼前一亮，「我明白了。」那間倉庫在晚上開燈的話，這個玻璃窗戶會像鏡子一樣發射。對方利用窗戶的反射角度故意將影像投射到病房房間，讓小五郎看到，讓他誤以為是在這個空病房發生了命案。也就是說，這是一種利用鏡子的作案手法。千鈞不得不佩服柯南，這麼快就弄明白了原委。
二人來到對面第一現場的4樓倉庫，這里面有不少東西，千鈞還發現了一個充氣的假人。柯南認為凶犯就是利用這個假人演戲的。千鈞皺眉，「這件事情是單純的惡作劇嗎？」柯南搖頭，「也許這件事情背後有其他用意。」千鈞笑道，「那我們今晚來個守株待兔好了。」當天晚上，再次下起大雨，柯南主動留在病房照顧毛利。千鈞先開車送小蘭回家，然後悄悄潛回醫院埋伏。毛利病房內，白井稱贊柯南幾句，調好鬧鐘，故意拉開窗簾就離去了。
等到了深夜11點時，小五郎和柯南被鬧鐘的鈴聲驚醒，一起看到對面玻璃窗上的殺人場景。柯南發出驚叫，小五郎大驚，「你也看到了？那這根本不是幻覺了！」小五郎拼命趕往對面倉庫的第二現場，柯南卻前往樓下的第一現場。千鈞從倉庫里面出來，「柯南，這里根本沒人來過，假人也沒人動過。我一直埋伏在里面。你的推理是不是有問題？」
柯南一愣，大叫，「不好，叔叔危險了！」千鈞大驚，撈起柯南一起向對面病房趕去。同時，凶手剛剛將小五郎擊暈，听到急促的腳步聲，只好從拐角處逃離。千鈞只看到了一個背影。柯南跳入房間，發現小五郎躺在地上，旁邊的江藤勝利背後插著一把刀子。千鈞去追逃離的人，然而那人突然不見了，來往的都是醫院里面的人，大家都說沒有看到可疑的人。
目暮警官和高木警官帶隊趕到了現場。經過初步調查，死者江藤勝利身上有2處傷口，都是被刀子刺中，但刀子上沒有任何人的指紋，這讓目暮很是疑惑。目暮警官詢問毛利，毛利表示自己也是一頭霧水，只知道自己進來就被人打昏了。隨後，小蘭也聞訊趕來，柯南也說自己不知道怎麼回事。千鈞沒有看到行凶的窗戶影像，自然也不知道到底怎麼回事。
白井光雄突然走過來，指認毛利偵探殺了江藤醫生，他今天也剛好在醫院值班。目暮問他為什麼認定是毛利殺了江藤？白井認為毛利偵探最近壓力太大，總產生幻覺，「所以我一直擔心有什麼事情發生。」柯南急道，「可是我也看到了病房殺人的場景。」目暮認為柯南只是小孩子，證詞不足以采信，會被人認為是袒護毛利。
毛利也想不起來當時的具體情況，也疑惑自己是不是真的殺了人。小蘭提著老爸的衣領大吼，「你胡說什麼，麻煩你振作點！」千鈞急忙上前勸阻，「好了，這個鬧劇該結束了。凶手不是大叔，我在帶著柯南追過來時，看到一個人影從拐角處逃走，但我追過去時，那人卻不見了。如果我的判斷沒有錯的話，那人才是殺死江藤打暈大叔的凶手。」目暮大喜，馬上命令高木進行調查。警方經過調查，認為凶手絕對是醫院里面的人，因為沒有人在案發後離開醫院。
千鈞又想起江藤曾經說過的話，告知了高木，高木也很快確認了江藤和白井在醫院里有很多尖銳的矛盾。白井聲稱案發的11點半他在自己的辦公室，這棟大樓的3樓，當時中山和美前往送病歷給他。中山和美肯定了這點，她當時過去听到白井在打電話，就將病歷和咖啡放到了桌子上。千鈞認為只听到聲音，不能作為不在場證明。和美卻說，白井跟她交談幾句，吩咐她將東西放到桌子上。目暮警官點頭，認為的確不可能是錄音帶，白井的不在場證明是成立的。
柯南卻問白井電話的內容，白井隨口說是外面的匿名病人打進來的，對病情進行抱怨。柯南和千鈞都認為這個白井最可疑，關鍵就在和美提供的不在場證明。二人進入白井的房間進行調查，千鈞發現白井的電話是那種不用拿起話筒就可以答話的電話。柯南發現咖啡杯是空的，但是砂糖卻一包也沒用。柯南眼楮一亮，終于明白了白井是怎麼制造不在場證明的，而凶手就是白井。千鈞依然一頭霧水，但他卻在外面找到了被凶手丟棄的木棍，還在白井房間找到了一副手套。柯南讓鑒識檢查了咖啡杯，上面果然沒用白井的指紋。
于是，沉睡的小五郎出現了。毛利偵探解釋，這是一起經過巧妙設計的犯罪案件。首先凶手故意讓毛利以為自己精神上有了問題，接下來凶手想讓小五郎背上殺人的黑鍋，又為自己制造出不在場證明。凶手為了達到這個目的，首先利用了4樓倉庫里面訓練用的假人，然後把第二現場病房的窗戶打開，將倉庫里面自導自演的殺人案反射出去，為的是讓小五郎看到這一切。而在今天晚上11點半時將江藤叫到那間空病房，將其殺害，就像之前一樣，不過，這次真的殺了人，而毛利和柯南都目擊到這一幕。
千鈞嘆服，「原來如此，這是36計里面的瞞天過海之計。」目暮點頭，「那凶手怎樣才能讓你們剛巧看到這一幕呢？」小五郎解釋，凶手為了達到這個目的故意將毛利房間的窗簾拉開，再把事先調好的安眠藥讓小五郎服下，又故意把鬧鐘時間設定在11點半。案發後，把趕到現場的毛利用木棍擊暈，可是這時出現了偏差，他本來打算讓刀子上沾上毛利的指紋，但千鈞以超越常人的速度飛奔而來，他只好匆忙逃走，然後以正常身份出現，千鈞當然追不到人。
目暮急忙問，「那凶手到底是誰呢？」白井哈哈大笑，「難道你認為凶手會是我嗎？」千鈞冷笑，「你這個白痴，居然還笑得出來，凶手就是你！」毛利偵探鄭重道，「沒錯，殺害江藤的凶手就是白井。」白井再次提出自己的不在場證明，目暮警官也說那不可能是用錄音帶交談的，毛利偵探大笑，「是手機。」白井先在11點半前，用辦公室的電話打到手機上，把擴音器打開，然後快速跑到北棟病房現場，到那里將江藤殺害。在剛剛11點半時，又利用尸體演出殺人的戲法給毛利看，所以尸體上會有2個傷口。然後再用手機，通過電話跟中山和美護士交談。
隨後，毛利趕到現場，白井用鈍器將其擊暈。之後，白井被千鈞追逼，逃回辦公室後，先把電話的擴音器關掉，將鈍器扔到窗外，等把一切處理完後，走出辦公室，混在騷動的人群中。不過有一件事情，白井沒有注意到。中山和美特別好意給他泡了一杯咖啡，而白井是個很愛吃糖的人。但是這一次所有的砂糖都沒有用，這表示白井根本沒有喝這杯咖啡。白井哈哈大笑，「簡直一派胡言，我有時候也會不加糖喝純咖啡的。你說的這點根本不能成為證據。」毛利突然問，「那你真的喝過咖啡嗎？」白井點頭，還說自己在喝過咖啡後洗完杯子，所以上面也沒有唾液。
毛利冷笑，「但是還缺少一樣重要的東西。」白井一愣，「什麼東西？」小五郎道，「你的指紋，咖啡杯上面根本沒有你的指紋。」白井惱怒，「我說過了，我喝完後洗過杯子。」小五郎質問，「那就奇怪了，杯子的把柄上有和美小姐的指紋，為什麼沒有你的指紋呢？難道你把自己的指紋單獨洗掉了嗎？這根本是不可能的！」千鈞擊掌，「原來如此，他在將棍棒丟到窗外後，就馬上去清洗了咖啡杯子，當時他的手上肯定還戴著作案用的手套。他在沖洗的時候，只洗了咖啡里面，把柄處自然沒有沖洗到。所以杯子上只有和美小姐的指紋。」
目暮馬上讓白井解釋指紋的事情，白井苦笑，「真是太諷刺了，原本是為了不留下證據才刻意戴上手套的，現在反而變成破案的證據了。」目暮警官見他認罪，就直接詢問動機。原來，原外科院長退休，白井光雄、江藤勝利一起成為外科院長候選人，但是江藤勝利手上有白井光雄通過走後門進入醫院的把柄，當年的那筆錢是江藤勝利的父親出的，江藤因此威脅白井光雄辭職。白井就設計殺死江藤，嫁禍給小五郎。毛利偵探嘆息，「白井醫生，這種違反正道的做法本來就不會有好結果的。」
目暮警官等人向毛利道謝後，帶走白井。其他人也逐漸散去，小五郎恢復意識，捂著頭叫苦，「我受夠了，受夠了什麼沉睡的小五郎了！」小蘭笑道，「為什麼呢？你不是把這件案子解決的很漂亮嗎？」千鈞也急忙提示了解決案件的大致過程，然後大聲稱贊，「不愧是平成年代的明智小五郎！」毛利有些不自信，「真的是這樣嗎？」小蘭點頭肯定，小五郎站起身哈哈大笑，「我就知道，我毛利小五郎果然寶刀未老！」看著大叔判若兩人的表現，柯南吐槽，「真是受不了這個糟老頭子！」千鈞大笑，「這才像大叔的作風！」
尾聲，白井光雄為了權位殺害江藤勝利，擊暈毛利小五郎，並嫁禍給毛利偵探，被法庭判處12年徒刑。毛利小五郎破獲該起綜合醫院謀殺事件，警視廳給以b級獎勵。事後，人們紛紛評論，白井又是個想捉弄名偵探的傻瓜，還自以為是信心滿滿想要嫁禍給毛利偵探，結果是自己將牢底坐穿。毛利偵探自然又一次名聲大振。