杯戸中央病院で見舞い客の須東伶菜が殺害される事件が発生。伶菜の死因は青酸系の毒物による窒息死だった。目暮警部たちは一緒に紅茶を飲んでいた入院患者の高坂樹理、見舞いに来た別府華月と八方時枝の中に犯人がいると睨む。4人は高校の同級生だった。容疑者3人の話を聞いたコナンは伶菜に毒を飲ませた犯人の目星をつけ、伶菜にそのカップを手にとらせたトリックを考える。
高木刑事は現場の病室から毒物を入れたような容器や袋が見つからなかった事、ハーブティーから毒物が検出されなかった事を目暮に報告する。毒が付いていたのはカップの飲み口だった。目暮は犯人が毒物を外に持ち出して捨てた可能性が高いと考える。この後、蘭はコナンを探しにやってきて事件が起きた事を知る。コナンは蘭の何気ない一言を聞いて犯人が仕掛けたトリックの謎を解く。コナンは安室もすでに事件を解決していると踏んでいた。
高木は樹理、華月、時枝に毒物がカップの飲み口に塗ってあった事を伝える。カップの毒が塗ってあった部分には伶菜の口紅が付いていた。小五郎は犯人が毒を塗った自分のカップと伶菜のカップをすり替えたと推理するが…。3人はすり替える事はできないと再び反論。華月は黄色いカモミール、時枝は茶色いペパーミント、樹理は青いバタフライピーを飲んでいた。伶菜は赤いハイビスカスティーだったため、樹理たちはすり替えたらすぐに気付かれると訴える。だが、小五郎は伶菜だけティーにレモンを浮かべ、見える範囲が少なかったから色が違っても気付かないと主張する。
毒物は外に捨てられたと考える目暮は病室を出てトイレに行った華月とお茶請けを買いにコンビニへ行った時枝の2人に犯人を絞り込む。するとコナンは自分がカップに毒を塗ったら絶対に外に出ないと発言。コナンは自分がいない間にカップの位置やお茶の種類を替えられたら、どのカップが毒のカップかわからなくなるから、外に出た犯人は度胸があると続ける。コナンの発言を聞いた目暮たちは犯人を2人に絞り込む考えを改める。この後、コナンに促された安室は犯人、そして伶菜に毒を飲ませた巧妙なトリックを暴いていく。伶菜がハーブティーに浮かべたレモンこそがトリックの肝だった…。