一天早上，皋月會會員矢島俊彌觀看着往年皋月杯決賽的錄影帶。這時有人手持武士刀進入矢島的房間，用刀鞘將矢島擊斃，鮮血四濺，矢島身旁的歌牌也散落一地。當天下午，江戶川柯南、毛利蘭和少年偵探團陪着毛利小五郎到大阪日賣電視臺與皋月會會長阿知波研介會談。在阿知波會長前來前，衆人先觀看高中生皋月杯的彩排，由改方學園的枚本未來子對上泉心高中的大岡紅葉。同是改方學園歌牌社成員的遠山和葉也在現場，而她的青梅竹馬兼高中生偵探服部平次也陪着她。彩排結束後，衆人走在走廊上，這時平次在轉角撞上紅葉。紅葉一看見平次就流下了眼淚，並說平次就是她的未婚夫，令衆人大吃一驚。

與此同時，大阪府警收到一封預告電郵，寄件人揚言要炸燬日賣電視臺，並附有一張歌牌。電視臺的衆人隨即接獲通報要撤離日賣電視臺，但未來子無法棄皋月會珍藏的皋月杯決賽用歌牌不顧，便折回去拿，平次與和葉也折回去等她。這時電視臺突然爆炸，未來子逃了出去，但平次與和葉被火勢困住無路可逃。平次帶着和葉前往電視臺屋頂，柯南從隔壁大樓用阿笠博士發明的滑板飛越至電視臺屋頂救援兩人。平次與和葉成功逃脫，但柯南卻受困在屋頂。他試圖用滑板衝刺以跳進一旁的河裏，但因速度不夠而即將摔死，所幸平次在半空中接住了他，兩人一同落入河裏。

事後，未來子爲了救出皋月杯決賽用歌牌而手臂骨折，無法參加高中生皋月杯，便要和葉代替她上場。這時紅葉向和葉下戰帖，兩人之中獲勝的人可以向平次告白。和葉一口答應，隨後開始特訓，這時平次之母兼前皋月杯女王池田靜華受平次之託前來指導和葉。同時，柯南與平次前往矢島死亡的現場，柯南發現死者手中原本握着一張歌牌，但不知是散落一地的歌牌中的哪一張，便請灰原哀協助分析。兩人還發現矢島死前在看大岡當年打進皋月杯決賽的錄影帶。勘查完犯案現場後，柯南與平次開始監視阿知波會長和紅葉。

隔天，柯南與平次盤問同爲皋月會會員的關根康史。關根因多次與矢島交手但皆落敗而遭兩人懷疑，且他曾提到矢島是被「打」死的（一般人聽到兇器是武士刀通常都會聯想到刺殺和砍殺）。關根否認自己是兇手。關根接着與阿知波會長和紅葉坐車前往阿知波會長前往阿知波會館，但途中他的車子突然爆炸，身受重傷昏迷不醒。柯南從灰原的分析結果發現矢島手中的歌牌中有提到紅葉，且在調查關根的車爆炸事件時得知關根在事發前有收到一份歌牌的圖檔。阿知波會長髮現大阪府警收到的爆炸預告電郵上附的歌牌、矢島手中的歌牌和關根收到的歌牌都是名頃會創辦人名頃鹿雄的拿手牌。名頃會與皋月會素來不睦，五年前名頃曾向已逝時任皋月會會長兼阿知波研介之妻皋月夫人下戰帖，打賭輸家要解散自家的歌牌會，但他在開賽時完全不見蹤影，之後就這樣隱身多年，名頃會也因此解散。

事後，柯南與平次向阿知波會長盤問詳情，阿知波會長告訴兩人一個從未公開的祕密：皋月夫人在正式開賽前與名頃進行前哨戰，用的是皋月杯決賽用歌牌。前哨戰最後由阿知波皋月獲勝，而隔天名頃便臨陣脫逃不敢出賽。觀光完大阪的小蘭前往醫院，將紅葉先前遺落的卡包交還給紅葉，並問起當年平次向她訂婚的事。紅葉說當時平次以外行人的身分參加歌牌比賽，打敗了她，而平次在賽後安慰她，並說「下次見面我會娶妳當老婆」，令小蘭備感驚訝。

在大批警力的戒備下，皋月杯如期在阿知波會館舉行。最後，和葉和紅葉都闖進了決賽，將在蓋在山壁上、瀑布旁的皋月堂決一死戰，讀手由阿知波會長親自擔任。另一方面，經大阪府警調查後，證實了平次的推理：關根也想知道名頃的下落，便開始監視矢島，矢島遇害當天是發現情況不對進屋纔會發現矢島的屍體。同時，一名可疑男子將比賽會場的消防系統關閉，並受人之託將會場中的炸彈帶到林中的倉庫裏。他將炸彈啓動，但發現時間所剩無幾。炸彈隨即爆炸，該名男子也成了焦屍。柯南發現倉庫旁的樹上嵌了一枚紫色戒指，推測死者就是阿知波會長的前祕書海江田藤伍。柯南推測，此舉是要營造出名頃已死的假象，隨後察覺兇手的最後目標就是在皋月堂的三人。這時，皋月堂底部已經起火。

在皋月堂的決賽，和葉與紅葉勢均力敵，最後進入「命運戰」。同時，平次與柯南騎摩托車試圖感到皋月堂，兩人推理出真兇不是名頃，而是阿知波會長。兩人也從有關阿知波會長的報導附的圖片而知，名頃與皋月夫人比賽當天，阿知波會長一向在妻子比賽前都會洗車，但照片中的車子卻是髒的，可見阿知波會長知道名頃根本不會出賽。兩人推論當年的前哨戰是皋月夫人落敗，而阿知波會長爲了顧全名譽而將名頃滅口，並企圖銷燬帶有殺人證據的歌牌，於是殺了發現證據的矢島，並炸燬日賣電視臺；但歌牌卻被未來子帶了出來。平次駕着摩托車從一旁的山路飛越到皋月堂，柯南隨即使用足球發射皮帶射出巨大足球讓瀑布改向，澆熄火焰。

得知事蹟敗露的阿知波會長在皋月堂招出了一切：當年的前哨戰皋月夫人落敗，因爲她使用了阿知波研介的卡帶，雖然是其中一卷，但是皋月早已經知道讀牌順序，有了這個優勢卻落敗，皋月因爲不想隔天再次落敗，所以皋月殺害了名頃，事後皋月的身體越來越差，在兩年後病逝。他爲了妻子才殺害矢島、炸燬日賣電視臺。阿知波會長將所有錯都怪在名頃身上，並打算引爆裝在皋月堂的最後炸彈，這時紅葉告訴阿知波會長，名頃當時會和皋月夫人舉行前哨戰只不過是爲了獲得初戀情人——即皋月夫人的讚美，而隔天的正式賽便故意輸給皋月夫人，既能保全皋月夫人的聲譽，同時也讓他無法繼續看顧的弟子有理由加入皋月會。

儘管火已熄滅，但皋月堂已脆弱不堪，逐漸倒塌。柯南、阿知波會長和紅葉透過電梯成功逃生，而平次與和葉則藉着引爆炸彈的威力騎着摩托車衝到對面山壁，倖免於難。片尾，最後獲勝的紅葉來找平次告白，並告訴平次他小時候的約定，不過平次說他當時講的話是「下次見面我會更用力取牌（今度會った時は、つよめにとる）」（日文音近「下次見面我會娶妳當老婆（今度會った時は、よめにとる）」少一個つ）。雖然如此，紅葉還是說她不會放棄追求平次。