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1年前に機内で起きた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…。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。