高校生探偵、工藤新一（溝端淳平）は幼馴染の毛利蘭（忽那汐里）に誘われ、服部平次（松坂桃李）と毛利小五郎（陣内孝則）が出演する京都の映画撮影所へ向かう。移動中の飛行機で、蘭は機内で起きたある事件を思い出していた。それは工藤新一、高校生探偵として最初の事件だった…。1年前、新一と蘭が乗る飛行機でカメラマンの大鷹和洋（波岡一喜）が殺害される事件が発生。しかし凶器は機内のどこを探しても見つからない･･･。新一は地上１万メートルの上空で消えた凶器の謎を見破り、この難事件を解決へと導く。
そして、京都の撮影所では主役の桜庭礼一（中村俊介）の命を狙った爆発事件が発生。更にヒロイン役の桃香（松山メアリ）が密室で首を吊って自殺する。しかし、新一は部屋の不審な点に気付き、自殺ではなく他殺と推理。新一は犯人が仕掛けた巧妙な密室トリックに挑み、平次と共に爆発事件の真犯人をつきとめる…。