时间为203X年。在涩谷发生警备机器人失控事件。公安总务课的刑警，中村奈绪委托探侦・明智小五郎解决事件。但是，明智已经带领少年侦探团的井上了急速前往机器人的制造厂“日野重工”。另一方面。团员花崎健介从同样是团员的技术担当，野吕诚那里得到协助，穷追着搜索着的迷途犬直到废弃建筑。于是，花崎的前方，谜之少年小林芳雄出现了。

　　警备机器人暴走事件的犯人是怪人十二面相。不过，明智也可惜错过了。日后，少年侦探团的原依赖人来了。想调查一下恋人秘密写的恐吓信是写给谁的。接受委托的侦探团监视恋人。那时，肚子饿了的小林擅自用了没能还回给花崎的钱包。靠电子货币的使用历史得知此事的花崎，再次邀请小林加入侦探团和一起调查，但……。

　　只要有花崎在就能去死了……这样想的小林加入了少年侦探团。在那里，对他来说的第一个委托人来访。因为无业的儿子失踪不明而想寻找。于是侦探团出动，从中村刑警和其部下宫西琢巳那里得到失踪者的关联资料。中村他们似乎对一直受到照顾的监察医生的失踪感到苦恼。调查刚开始，因极端不擅长交际而与井上和野吕起冲突的小林从大家身边逃走了。

　　上完课的井上，似乎有意地注视着网球部的胜田雅治到放学。花崎科学实验部的大友久和山根祐一起来试用侦探团使用的七个工具。这时，翻转的警车被发现了。从车内找到写着“给明智君”的胶卷，而应该在车里的巡査长却消失了。胶卷里说直到21点前如果找不到巡査长的所在地的话，他的性命就没有保证，并且放映出二十面相的身姿……。

　　为搜寻巡查长而走进地下水道的小林和井上，被二十面相的策略所困，并被大量的水灌入。井上担心搜查下水道的警官们而说道“因为下水道的整体图被偷换成假的，传达避难的消息”。然而只有小林逃走了。但是，警官们也被幽禁在下水道中。赶去营救的花崎受到原少年侦探团的胜田的支援，一同前往下水道。可是，在那期间井上逐渐淹没于水中。

　　花崎帮助小林尝试各种去死的实验，但全都失败了。于是，明智不在的时候擅自接了六件委托。心想着小林在全部事件解决后持续受伤，处理委托的话就能实现他的愿望。但是，总不能称心如意，全部都以失败告终。两人是不可能的吗……小林消沉起来，而花崎制定着与调查并行的计划。

　　明智为了治愈事件的疲劳在健康乐园放松。从电视上流出警备机器人事件、机器贩卖事件、地下水道诱拐事件的新闻，收复其骚动的警察的协助者，传言正是明智。在那里出现的中村刑事，被追问起与二十面相的因缘。虽然明智在一旁无所事事的样子，但还是遇到了十二面相，并回想起幼年的创伤。那时，花崎被父亲叫了出来。他也背负着复杂的过去。

　　反对因城市再开发而搬迁的心之丘住宅区的居民，宣言独立住宅区全域并命名为自治区。发表的人，正是过去离家出走的花崎的哥哥，晴彦。花崎寻求明智的帮助，然而因为只要没有委托就不行动而拒绝了，并被宣告不准外出。然后一个可疑的包裹被送到。开封后，就被判明这次的事件是二十面相一手策划的。坐立不安的花崎一个人赶去住宅区，然后被晴彦给整晕了……。

　　花崎被晴彦说的“一起生活吧”所迷惑。但是，五十铃准备三十亿日元打算与警察交涉，强行闯入并允许清除居民。她和居民以钱作为交换，打算仅自己逃跑。因受到中村刑警的委托明智和少年侦探团到达此地。为了减少警备系统，小林对枪林弹雨毫无畏惧地闯入住宅区，并破坏了发电设施。花崎叫住明智时误会的晴彦激昂了起来。把枪指向了花崎……。

　　唱戏剧的花崎，成功让明智和侦探团确信自己被绑架了。不知道情况的明智打算救出花崎并一个人跑出事务所。地点似乎也大致推断出来了。还剩小林他们，根据突然出现的大友的提示弄清了住所。花崎来到了“le·wAqua”。他在二十面相的指示下，操纵警备机器人占据着建筑物内部。然而明智在那里登场。与警备机器人展开了壮烈的枪击战。

　　一边被二十面相用枪指着，一边与明智会话，心里发生动摇的花崎落下眼泪。侦探团也抵达此地。井上和胜田制止警备机器人并尽力协助从业员人质。野吕和大友也为了阻止暴走的警备机器人而奋斗，小林被毫无感觉的冲动驱使跑到花崎的身边。但是，全部都在计算之内的二十面相让预先洗脑了的从业员袭击井上他们。然后，杀花崎的话才能解开他们的洗脑，明智被迫作出决断。

　　解决了le·wAqua的事件，怪人十二面相也被逮捕，世间好像回复了平稳般。但是，在事件的漩涡之中的花崎精神变得不安定，犹豫着再次进入少年侦探团的圈中的事情。另一方面，井上他们受到了宫西刑事的委托。希望抓住把名人的偷拍照擅自在名为投稿者的网站上上传的人。井上他们开始调查，但小林有点挂念花崎。

　　科学实验部成员大友久的后辈，山根祐有着烦恼。第一个是，被大友过度欺负。第二个是，经常被扔下不管。接着第三个是，山根最大的烦恼，如何成为少年侦探团的一员。于是，把山根误认为侦探团员的梦子，想来申请调查一下瑠璃野学园的帅哥私物盗窃事件。喜形于色的山根，接受了委托，但……。

　　没有音讯的明智来了电话。当小林诉说花崎的不顺时，“做回花崎为你做的事吧”明智出主意后就挂了电话。这时，有个奇妙的委托。想让明智侦探事务所做收到杀害预告的死刑犯的护卫。那是死刑犯自己所希望的事。实际上，逮捕这个死刑犯的是明智。井上不愿接受这个麻烦的案件，但想到与花崎一起解决委托的话侦探团会恢复原样的小林，擅自接手了。

　　被盯上死刑犯的团伙追赶，少年侦探团的小林以废墟作为据点避难。在野吕派来的逃脱用直升机到来之前，要想办法应战。同时，对死刑犯蕗屋不断在做的联想游戏，没法回答的小林，逐渐变得异常。另一方面，作为阿秀率领的红甲虫的一员被迎接的花崎，知道他们牵涉这次的事件。是红甲虫还是少年侦探团，花崎的心开始动摇。

　　小林受到枪击，激烈的剧痛袭来。一直守护着他的“烟雾”消失了吗？对于赶到现场的明智的推测，井上吃了一惊。小林现在想活下去……。花崎在濒死的小林面前动摇了。明智提出了作为帮助小林的方法“让他有死的念头”，并丢出了一句话“让小林想要活下去的是你”。于是，自己想办法说，然后说出冲击性的台词。

　　少年侦探团被宣言解散，井上他们悲观地活着。“烟雾”复活的小林也奋力地治愈了伤口。那时，明智独自回想起了与二十面相的过去。那是战场上的记忆……是个佣兵的明智，与二十面相两人钻过了无数战火。但是，对二十面相准备的刺激，渐渐地厌倦起来也为事实。日本记者文代出现在那样的明智面前。两人逐渐被迷惑……。

　　重伤疗养的小林终于苏醒，他脑海里浮现出不可思议的影像，伴随着头痛，在暗红色的气氛中，一位虚弱的女子和一位嫌弃自己的男子出现。随后，阿英和古川乔装来到花崎家，邀请花崎去揭穿自导自演给同行饭店抹黑的犯人，却被花崎拒绝。新东京万博会举办在即，中村拜托少年侦探团负责警备工作。

　　小林头疼欲裂，梦中的场所越来越清晰，花崎、井上以及阿英、古川对小林的回忆展开解谜追寻。根据小林的描述，众人来到游乐园附近的废弃公寓。而另一边，警方出现紧急事态，服役的伪二十面相逃狱，监控中出现明智的脸。警方认定二十面相的真面目就是明智，宫西决定独自探查真相。

　　事务所突然遭到警方的强制搜查，这是针对宫西被害案件进行的取证，而犯人正是中村奈绪。警方怀疑奈绪是被二十面相控制而杀的人，而奈绪还提到明智小五郎很可能就是二十面相，这就是警方搜查事务所的原因。明智为了此事专门找到了退休的立石调查此事，当明智找到奈绪后却发现事情变得更加棘手。

　　中村刑警被二十面相彻底洗脑，明智被特别警备队拘禁，随后新东京万博会的飞船遇袭坠落。侦探社里，花崎、井上、小林、野吕对现状困惑不已，二十面相突然来电，提醒他们万博会收到恐怖袭击预告函一事，而发件人正是二十面相。明智被二十面相囚禁在飞船，二十面相发出挑战，要少年侦探团在日落前救出明智。

　　少年侦探团来到新东京万博会，花崎和小林计划驾驶航天飞机去追赶二十面相囚禁明智的飞船，却遭遇万博会爆炸，还被随后赶来的特别警备队阻拦。警备队朝井上的轮椅开枪，双方开始交战，然而侦探团寡不敌众，就在此时大友驾驶采掘机登场，助井上等人脱困。战斗中小林察觉自己的体质开始变化，但他仍义无反顾地跑向花崎。

　　花崎抛下小林，朝二十面相的飞船飞去，在那里将会迎来最终的决定。小林在同伴的帮助下坐上预备飞船，追随花崎而去，起飞时小林的双脚受伤一片血红。花崎潜入飞船，遇到了逃脱的明智，明智指责花崎不该来此，两人争执之时二十面相现身。花崎与二十面相举枪相对，明智腿部中弹，开枪的竟然是花崎……