晴朗時節，江戶川柯南（高山南配音）和毛利小五郎（小山力也配音）、小蘭（山崎和佳奈配音）以及少年偵探團的伙伴們一同來到京都，他們即將登上自衛隊的宙斯盾戰艦，體驗一把出海作戰的感覺，期間還結識了美麗又有著幾分神秘的女自衛隊員藤井七海（柴咲幸配音）。誰知快樂的氛圍很快被恐慌所替代，戰艦上突然發現一條斷掉的手臂，消失的自衛隊員又引起軍方的恐慌與猜測。原來某國神秘間諜X已悄悄登上宙斯盾，伺機盜取戰艦上的絕密情報。為了找出隱藏的對手，柯南和灰原哀（林原惠美配音）、阿笠博士（緒方賢一配音）、服部平次（堀川亮配音）以及遠山和葉（宮村優子配音）通力合作，與間諜展開連番斗智斗勇的較量……