电影拍摄地在一座岛上，这里在战争中曾被当做实验基地，岛上的住民不断的被抓走做实验，最后只剩下老人。千子等人登上岛屿不久就碰到一起杀人案件，剧组的制片人被杀，宝石也消失不见。曾经被自己的母亲抛弃，以为自己再次被二十面相抛弃的健也等上岛屿。夜晚外出寻找二十面相的千子遇到能力怪异的人偶，人偶与二十面相之间有着不为人知的渊源。

得知夫人一直对千子下毒的的女仆留，用计策成功让夫人答应千子和自己搬到别的住所居住．飞行船上，千子与健努力自救，终于成功使飞行船坠落到海面上．在赶来的明智侦探的帮助下，两人终于得救，船上的其它人也大多得救了．健微笑着告别千子，游走了．医院里千子从明智口中得知了有关二十面相的一个线索－－水的第四种形态．

掌握研究数据的松岛公平带着两名机械人逃出研究所，打算手动启动灯塔上的设备，用整座东京市作为实验的原材料。松岛公平在灾祸现场散播“二十面相将要盗取整座东京市”的谣言，借此转移世人的视线，从而阻止紧追不舍的二十面相再次破坏试验。被迷惑视线的众人四处围捕作为二十面相女儿的千子。千子四处逃离，最终被失去理智的民众逼迫到楼顶。