小五郎、コナン、蘭、園子は伊東玉之助一座の芝居を見るため、琴電に乗って有名な芝居小屋、金丸座のある琴平駅へ。一行は金刀比羅宮、本宮へと続く長い石段を上った後、金丸座へ行き、伊東玉之助、片岡れんげ、伊東めぐみらと再会を果たす。蘭らは日本最古の小屋を見学しながら芝居の話題に触れる。

今回、一座が上演するのは「オペラ座の怪人」を下敷きにした「こんぴら座の怪人」という時代劇。玉之助が怪人、女優の軽部ロミがヒロインの歌姫、河竹乙弥が侍を演じる。玉之助らが稽古をする傍ら、客席にはスポンサーである羅臼コンツェルンの羅臼辰彦の姿。羅臼は幼馴染みのれんげを激励する。この後、れんげの役が歌姫ではなく、小さい役という事に対し、羅臼が不満を漏らすと、玉之助は配役を決めるのは座長の自分だと主張。玉之助は有名な若手舞台女優にも関わらず、客演をあっさりOKしてくれたロミを庇う。

この後、蘭たちは大道具の鍋島勝男から仕事の邪魔だと文句を言われる。鍋島は蘭たちを小屋に入れた玉之助にも小言を言う。そして、稽古が再開されると、その直後にロミの頭上の大提灯が落下。コナンが大提灯を吊っていたロープを調べると、刃物で入れたような切れ目がついていた。ロミは額に小さな傷を負ってしまうが、大した事はないと気丈に振舞う。蘭は、ヒロイン役の女優の上にシャンデリアが落ちる「オペラ座の怪人」と状況が似ている事に驚く。

すると、玉之助は芝居ではなく、実在の怪人からヒロインを替えろと要求されている事を告白。金刀比羅宮などに出没する怪人の姿が観光客らに目撃され、座長宛に「広い参加、得よ！　刺され、散華に！　讃岐こんぴら座の怪人」という10通の手紙も送られてきたという。コナンは手紙が"さ抜き言葉"の暗号と気付く。暗号を解読すると、手紙は「ヒロイン替えよ、れんげに！」という脅迫状のような内容に。だが、玉之助は要求に応じるつもりはなく、このままの配役でこの日のプレミア、明日の一般公演を行うと宣言する。

夕方、金丸座にプレミアの招待客が入っていく。そして、舞台の幕が開くと、芝居や金丸座独特の演出に招待客は歓声を上げ、喝采を送る。そんな中、客席のコナンはロミがチラチラと上方のぶどう棚を見上げている事が気になる。コナンはロミの視線の先を追い、ぶどう棚の隅にうごめく影を発見。玉之助が演じる怪人とは別にもう１人の怪人がいるのだ。その直後、ロミは激しく苦悶。ロミは「オペラ座の怪人」の設定と同じように声が潰れていた。

ロミは楽屋口へと駆け込んでしまい、一旦、緞帳が降ろされる。ロミはうがい薬を誰かにすり替えられ、声を潰してしまったのだ。玉之助は急遽れんげにロミの代役を頼み、れんげは急いで着替え始める。一方、コナンはぶどう棚へ上がる梯子を見上げ、ぶどう棚の隅の怪人がいた辺りに半透明の幕が敷かれているのに気付く。コナンは梯子を上って幕を確認しようとするが、鍋島に立ち入り禁止だと阻まれてしまう。

客席に戻ろうとしたコナンは迷路のような小屋の中で迷い、れんげの楽屋の前へ。すると、中から会話が聞こえ、音楽の天使と名乗る人物が不安を口にするれんげを励ましていた。だが、れんげが楽屋から出て行った後、コナンが楽屋の中を覗くと、そこには誰の姿もなかった…。結局、れんげは見事にロミの代役を務め、芝居は大成功を収める。

翌朝、空き地に首を刺された鍋島の遺体…。傍らには石段登りに使う杖が転がり、凶器のナイフを握りしめた怪人も倒れている。怪人の仮面は外れかけ、玉之助の顔が覗いている。そこへ自転車に乗った警官が通りかかり、目覚めた玉之助に動くなと命令。玉之助は自分が犯人ではない事を訴えるが…。