漆黑的夜晚，一名間諜悄然潛入日本警方某機構，盜走了記載著各國諜報機構重要數據的絕密文件。日本警方和FBI探員赤井秀一（池田秀一配音）旋即與間諜展開追逐，最終逃亡者的車輛墜落懸崖。次日清晨，柯南（高山南配音）與少年偵探團成員前往東都水族館觀光時，意外發現一名受傷失憶的神秘女子（天海祐希配音）。在協助其恢復記憶的過程中，灰原哀（林原惠美配音）逐漸察覺該女子異常的身手與言行，暗中監視的黑衣組織成員貝爾摩德（小山茉美配音）則蓄勢待發。隨著女子記憶復蘇，其真實身份——潛伏于黑衣組織的FBI雙重間諜水無憐奈（澤海陽子配音）逐漸揭曉。為揭露組織陰謀，她與赤井秀一（池田秀一配音）及柯南聯手展開情報爭奪戰，而黑衣組織為消滅叛徒與獲取機密數據，在東京都內掀起連串危機。柯南通過縝密推理識破組織陷阱，最終與赤井秀一協同警方在摩天輪決戰中挫敗其毀滅計劃，水無則選擇以特殊方式完成最后的情報傳遞。