丽丽体育健身俱乐部即将重新开业，宫本由美的一位朋友送给她几张运动卡。由美便约千钧、静杨等几人一起去玩。大家商量一下就答应下来，到了那天四人跟由美一起开车赶到丽丽俱乐部。刚巧，碰到了毛利三人组，原来柯南和小兰又抽中了幸运签，成为俱乐部的特别嘉宾，被请来参观。小兰那种逆天的运气，让大家羡慕不已。丽丽俱乐部的各种健身器材非常齐全，来的人也不少。
大家一起在跑步机上锻炼身体，毛利侦探跑不动，累倒在跑步机上，喘息道，“我不行了，累死了。”千钧好笑，“大叔的体力真的不行了，亏你号称柔道高手呢。”小兰责怪老爸，“真是没用，都是总喝酒不运动的关系，现在知道后果了吧。”小五郎恼怒，“胡说，我们做侦探的人靠的是头脑！”柯南嘲笑，毛利叔叔破案靠的不是脑子而是肚子。由美她们4个也都笑起来，纷纷解围，称赞大叔的侦探智能。
这时，在不远处，记者将俱乐部的女社长佐伯丽子围住采访，她提到俱乐部重新开张是多年的心愿。佐伯丽子，是个中年妇女，容貌普通，看得出来年轻时也是个美女，可惜现在风华不再。她也是跳水选手出身，因此对运动非常看重。小兰主动提议，大家一起去游泳池那边看看，至于老爸就先不管了，让他自己歇着吧。
游泳池建造的非常豪华漂亮，玻璃外墙，里面还有不少客人。其中一位美女带着一些孩子，她在教导他们游泳。在高台上，还有人做跳水练习。一个肤色较深的青年男子跳水非常出色，赢得了一片掌声。由美提到，此人名叫西条直也，以前就是这个俱乐部的运动选手。后面一个青年男子也随后跳水，但是明显水平较差。西条大声嘲笑，“搞什么啊，这样也能做代表选手吗？你行不行啊？”这个帅气的年轻选手名叫成濑圭一，“我只是缺乏练习而已，你放心，等开幕典礼之后就没问题了。”
西条冷笑，“真是这样吗？真的是缺乏训练吗？”成濑恼怒，“你这话什么意思？”西条不屑，“照你刚才的动作看，比赛的结果是可以预见的。”成濑大怒，“你说什么！”眼看二人要上演全武行，旁边一个穿着上衣的游泳选手急忙上前劝解，“你们两个别这样！这里还有很多人和记者呢！”西条大笑，“木岛，你居然用这种口气跟我说话！”这个选手名叫木岛久，也非常帅气，耳朵上还有装饰品。木岛急忙说，“不是了，我没什么特别的意思。”
西条冷笑，“你戴那种耳环的样子，我就是看不顺眼。”千钧觉得西条直也虽然怪了点，脾气也不好，这句话到很合自己的心意，一个游泳选手，戴着耳环搞什么飞机啊。西条接着教训，“你这种人根本没资格来教训别人。成濑，快点练习了。”成濑和木岛只好愤愤离去。小兰提到木岛久本是西条直也的劲敌，但后来代表权被西条抢走了，所以现在转到游泳项目上了。
这时，佐伯丽子带着记者们过来，介绍这里跳水和游泳比赛的专用游泳池，此时正是那些选手们训练的时间。西条直也后仰跳水，结果出现失误，差点撞到台板上，多亏他急中生智伸手击在台板上，才安然翻身下落到水中。佐伯丽子见他安然无恙，放下心来，责备他就算马上就要比赛也不能太勉强自己，“你可是我们这里的王牌啊！”西条冷笑，“真是这样吗？你脸上好像写着没死还真遗憾，社长！”丽子脸色一变，强颜笑道，“你就是爱开玩笑啊，西条选手。”
西条不屑，“我会比得上你吗？”然后自顾离开。佐伯丽子满面都是怒容。千钧笑道，“这个西条如此嚣张，难道不怕老板给他小鞋穿吗？”大家都笑着摇头，开始四处参观起来。柯南独自跑去买饮料，看到佐伯丽子在走廊里给了西条一记耳光，“西条，你这个男人还真是差劲。我知道你想说什么，但你根本没证据。光凭那些谣言，就想发动新闻界和国税局把开幕给搞砸吗？”柯南正在偷听，小兰突然出现在身后，问他在这里干什么，柯南只好笑着说没有了。
二人听到小兰他们的声音，丽子急忙转移话题，告知西条记着8点钟准时参加办公室的慰劳酒会。随后二人分开，西条打算继续前去训练，走过时掉下一张照片。柯南捡起来观看，上面是成濑圭一跟一个美妇在粉红旅馆的亲密照片。柯南急忙将照片还给西条，西条从耳朵里面取下耳塞，笑着向柯南道谢，自语道这可是我的摇钱树啊。回去的时候，柯南告诉了千钧这件事情，千钧询问照片上的女人有多漂亮，二人有多亲密，还说可以考虑去粉红旅馆侦查一次，柯南彻底无语了。
千钧跟由美、静杨、直子、小雅一起回到千钧宅，轮流洗浴后，谈论起今天的事情。千钧心不在焉地用特殊的眼光盯着她们四个刚洗完后的曼妙身段，让四女无不嗔怒。在晚饭过后，大家一起看了千钧心目中的无聊肥皂剧后，就打算各自归寝。四女决定不给千钧任何偷香窃玉的机会。然而，这时却接到了目暮警官的电话，让大家过去一趟。
毛利侦探事务所，小兰在老爸身上贴满了膏药。小兰嘲笑老爸，“都是你太逞强了，以后少喝点酒，少抽烟。今天在由美面前真是丢死人了，一帮人就你体力最差。从今天开始要好好培养体力才行。”柯南也笑语，“叔叔现在最大的优点只有体力了。”小兰提出要加入丽丽俱乐部，大叔转移话题，电话里好像有留言。小兰抱怨，“你听我把话说完啊，真是的。”柯南苦笑大叔没有钱啊。
留言是目暮警官的，请大家一起到丽丽体育俱乐部来，西条直也跳水失败而死。大家先后都赶到丽丽俱乐部，见到目暮警官。西条直也戴着游泳帽，躺在池水旁，已经死去多时了，警官和鉴识们正在拍照取证。警方推断死亡时间是晚上8点到9点之间。而死因是溺水而死，柯南侃侃而谈溺死的特征，警方也认定是溺死，大家奇怪看着柯南，这个孩子怎么知道这么多，柯南急忙说是悬疑推理剧里面演的。
千钧苦笑这家伙又忘乎所以的出风头，急忙帮忙转移话题，“西条是著名的跳水选手，水性相当好，怎么会无故溺死呢？”柯南发现西条的泳帽上有血，推断是被什么撞击过。大家想起白天的事情，一起望向跳水高台。目暮警官也认为死者是跳水出现意外，撞到台板跌入水中后溺水而亡。毛利也支持这种说法，认为晚上练习时不小心失败了。
柯南却询问当时是否有其他人跟死者同在这里练习，小五郎让柯南闭嘴。佐伯丽子说他们都在为明天的开业典礼做准备，没人陪同西条来这里练习。木岛久也说最近比赛近了，西条一直在抓紧时间练习，今天也一样。目暮警官提到了有一位目击证人，是住在对面公寓的老人，他说看到了西条选手在做跳水练习。柯南询问他是否看到了意外发生的经过，目暮警官一愣，回答确实没有。
小五郎恼怒，再次扁了多嘴的柯南。千钧却觉得柯南的话很有道理，“拜托，目暮警官，如果他没有看到意外发生的过程，就不能算直接的目击证人，他的话只能作为旁证。”目暮警官点头认可，柯南还提到西条每次练习时会戴着耳塞，鉴识人员已经将耳塞取走了。柯南看过后说跟白天见到的不一样，白天的那对耳塞是浅蓝色的，这个却是h色的。小五郎认为一定是换过了，这没什么好奇怪的。
柯南却说泳帽也不对，几个女孩好奇问柯南哪里不对，柯南回答，“因为跳水选手通常不戴泳帽啊。”几个女孩觉得大有道理，今天白天练习时那些选手都没有戴泳帽。小五郎不屑，“人的心情都有阴晴不定的时候，你问这些琐碎的事情有什么意义呢？”柯南通过负责搜查的警官甲乙那里知道，西条的柜子没有上锁，在柜子附近的衣服上发现了乙醚的味道。千钧和柯南一致认定这是一桩谋杀案，而不是意外。
这时，目暮警官把俱乐部的选手都召集起来，宣称警方初步判定是意外。柯南大吃一惊，千钧苦笑，目暮警官向来比较省事，喜欢简化程序。目暮和毛利商量一下，准备收队回去了。千钧让柯南快点想办法，柯南也急出一头汗，抱怨目暮和毛利是糊涂二人组。佐伯丽子向目暮警官确认了明天的开幕式不会受影响，目暮警官宣布今天晚上的调查取证到此结束了。丽子长出一口气，向其他队员宣布了明天开幕式照常举行的决定。
柯南认为俱乐部内部人员作案的可能性非常大，因为案发当时所有的客人都离开了。千钧和柯南赶到慰劳酒会办公室，见到了二位正在清理垃圾的队员。柯南询问酒会中途是否有人离去，选手甲乙回答可能有人离开，当时人太多太热闹了，他们都没有注意到。柯南判定肯定有人离开，三个嫌疑人，第一个是俱乐部的社长佐伯丽子，第二个是代表权被抢走的木岛久，第三个是出现在婚外情照片上的成濑圭一。
千钧认为现在最大的问题是那位目击老人的目击证词，就带着柯南去拜访了这位老人。原来这位老人坐在轮椅上，腿上有残疾，而且是位画家，老人自称画画是业余的消遣。千钧和柯南都看到了老人所画的《月光下的跳跃》，他平时会在固定时间观察后画画娱乐，这幅画就是今晚画的。老人认识西条，感叹道，“太可惜了，都是他把灯关掉了，勉强练习才会发生这样的事情。”千钧和柯南都吃了一惊，老人说他也因此画下以满月为背景的这幅画。
柯南问是否看清了西条先生的脸，老人直言太黑了没看清，“不过，那景象真的太美了，我仿佛看到他脸上闪耀着光辉。突然觉得画意泉涌，就急忙将其画了下来。”柯南觉得不对劲，如果头撞到台板上，身体的平衡会乱掉，而画上非常正常。柯南看到画作上的一个细节，眼镜上光芒一闪，真相只有一个。千钧按照柯南的吩咐将老人的这幅画借来当做证物包好，二人匆匆赶回体育馆。
小兰、由美她们几个到处寻找二人，见到二人回来无不抱怨。小五郎更是愤怒，“你们到底跑到哪里去了？”小兰也道，“我们都担心死了，到处找你们两个。”静杨气呼呼地说，“千钧，你怎么老是带着柯南乱跑，可别教坏小孩子！”千钧被四女揪住大肆批评。小五郎也决定教训一下柯南，开始追柯南，柯南急忙逃跑，情急之下跑上了跳水高台，大叔恼怒之下忘了恐高的事情，奋力追了上去。柯南无奈，只好射出麻醉针，击中大叔的臀部，想让沉睡的小五郎出现跳水高台上。小五郎摇摇晃晃眼看要掉下去，还好千钧甩开几个女孩跑了上来，急忙拉住毛利，让他安稳坐下来，二人都出了一身汗。千钧抱怨柯南太冒险了，差点出事。
几个女孩也都吓了一跳，询问他们是否有事。柯南开始扮演小五郎，让几个女孩把所有人都叫到这里来。大家有些疑惑，由美看出来，这是沉睡的小五郎出现，急忙通知了目暮警官。大家到齐后，目暮警官头疼，“这是怎么回事，毛利老弟？”“我已经知道这次事件的凶手了。”目暮惊奇，“你不是也认为是意外吗？”小五郎说这是一件看似意外的谋杀案件。
毛利侦探提到有如下的疑点，第一，耳塞的颜色不对，凶手让西条闻了乙醚后，让他晕倒，在换下泳装的同时，凶手将自己的耳塞放到了西条的耳中。第二，泳帽，跳水台的边缘没有血迹和毛发，也没有打斗的痕迹。目暮警官也明白过来，“难道凶手是为了掩饰这些才让他戴上泳帽的？”“完全正确，这一切都是为了让游泳池边发生的罪行，看起来像是在高台跳水练习当中所发生意外的一种伪装行为罢了。”然后凶手月兑下西条的衣服，放进西条的柜子里面，所以柜子没有上锁。
目暮警官抱怨自己到处都找不到相关的证据，还有目击者的证词要怎么解释。千钧站过来大声说道，“那位目击老人每天都会在固定时间到阳台上观看体育馆的跳水情况。”小五郎继续推理，“归纳起来，他目击到的一切都不是偶然的，是某人的刻意安排。”目暮警官糊涂了，“死者故意跳水失败，让老人看见，难道他是自杀的吗？”小五郎好笑，“如果这样，他为什么要把灯全关掉呢？这分明是蓄意让游泳池视线不明。”小兰奇怪为什么要把灯关掉呢，由美明白过来，“模黑跳水，因为他不想让人看到自己的脸。”直子也笑了，“原来是李代桃僵之计。”
大家都恍然大悟，目暮警官终于转过弯来，“原来如此，目击者看到的不是死者，其实另有其人。”小雅也道，“这么说的话，这个冒充死者跳水的人就是真正的凶手了。”大家都震惊了，全都看向成濑圭一和木岛久二人，二人都否认不是自己。小五郎开口，“木岛先生，你以前曾经是跳水的代表选手，现在已经转到竞泳项目了吧。你的代表权被抢走之后，对西条一定怀恨在心吧。竞泳项目一定要戴上泳帽才行的，你为了不留下痕迹，才下意识把自己的泳帽为西条选手戴上的吧。因为你忘了，跳水是不需要戴上泳帽的。”
大家都明白了凶手就是木岛久，他把西条杀死后做出这些伪装。木岛久垂死挣扎，认为这只是毛利侦探的推理，必须拿出证据来才行。小兰提到泳帽上应该有木岛的指纹，目暮警官摇头，“已经检查过了，没有发现任何指纹，应该在这之前泳帽被清洗过。”木岛露出得意的笑容，千钧大喊，“静杨，你把我拿回的那幅画，给目暮警官和大家看看。”小五郎叹息，“等你们看完后，一切就真相大白了，那是柯南和千钧向那位目击老人借来的铁证。”
目暮警官将画作外的包装打开，大家一起欣赏《月光下的跳跃》，那位老人在今天晚上看完跳水后画得一幅素描。“请你们仔细看看，凶手虽然故意把灯关掉，在这里跳水让目击者看到，但是月光下却发射出一项决定性证据，而这位老人也忠实地将其画了下来。”几个女孩都发现了，“耳环和反射的光芒。”目暮也明白了，木岛大惊失色，“怎么会？”毛利侦探认为凶手是内部人员，由于时间不够，凶器应该还没有丢掉，应该还藏在这个体育馆中的某个地方。
木岛久抵赖不过，不得不承认了罪行。西条直也靠作弊打败了木岛久，抢走代表权，因为半年前木岛骑摩托带着女友飙车出了车祸，女友也因此重伤入院，西条知道后就以此为由向负责人和委员会告发了木岛，让木岛不得不退出跳水运动。毛利侦探叹息，“你这次的疏忽就在于你跳水的时候，太完美无缺了，才露出了马脚。”木岛认为跳水是自己一生中最重要的追求，没有办法故意装出失去平衡的动作来，“因为我的骄傲不允许我这么做。”
在那之后，警方从办公室的垃圾桶找到了著名的凶器——板砖。木岛就是用它来打击西条头部的，水泥砖上也发现了木岛的指纹。目暮警官向毛利侦探表示感谢后，邀他改日到警局做详细笔录，就押着木岛久离开了。小兰她们几个发现小五郎还在高台上，小兰就大喊，“爸爸，你在干什么啊？我们该回去了。”柯南大惊，“我把大叔忘在上面了！”急忙从下面沿着楼梯向上跑去。千钧也大惊，“不好，毛利叔叔有恐高症。”也随后急忙奔上去。
小五郎打了个哈欠，醒了过来，“睡得真舒服啊！”然后摇晃着站起来。千钧急忙大喊，“别向下看啊！”小五郎疑惑一瞅，好高啊，吓得脸都绿了，“我怎么会跑到这个地方！”眼前一黑就向下栽倒，匆匆赶到的柯南大惊失色，“等一等！”急忙上前拽住大叔的腿，可惜力量太小了，反而带着柯南一起向下栽去。千钧及时赶到，奋力将二人拽住，险险地将二人拉回到高台上，所有人都吓出一身冷汗。
尾声，木岛久因杀害西条直也，被法庭判处5年徒刑。毛利小五郎因破获体育俱乐部杀人事件，警视厅给以b级奖励。当天回到家后，小五郎惊魂未定，想起自己追柯南跑到了高台上，大为愤怒，再次痛扁了柯南。小兰埋怨父亲对柯南老是这么暴力。千钧他们5人回到家后，发现已经凌晨1点了，四女都困的睁不开眼了，就一起到千钧房里安睡。直至天亮，也没发生千钧期待很久的香艳事件。千钧自我安慰，以后有的是机会，昨夜大家都太困了，对女孩来说为了保持容貌，没有什么比充足的睡眠更重要了。