本作は、第1作『時計じかけの摩天楼』から監督を務めてきた初代監督・こだま兼嗣氏が担当した最後の監督作品である。こだま氏は本作で『名探偵コナン』シリーズの監督を降板。以降は山本泰一郎氏に引き継がれた。副監督として西森章氏も監督を担当しており、劇場版シリーズで初めて監督が2人体制の作品になっている。冒頭の作品解説のうち、既出部分(工藤新一の新聞記事から、体が縮み蘭と再会してコナンと名乗るまで)が、アニメーション制作の全体がデジタル制作へ移行したことを受け、本作で初めて新調された。そのため、本作以降は第4作『瞳の中の暗殺者』以降の内容から一部変更されている。毛利小五郎に推理を依頼した山能寺や終盤の舞台となった玉龍寺は実在しないが、本編では京都の観光地が数多く登場している。描かれており、京都の神社・駅舎・公園などが非常に細かく再現されている。ポスターでは貴船神社がコナンたちの背景に描かれていたが、本編には登場していない。叡山電車と鞍馬駅が登場するが、登場する900系きららと思わしき車両の塗装は異なる。名前に数字の付いている人物が殺害されていることから、同じく自分の名前に数字が入っている小五郎が自分も狙われると思い込んだ場面では、コナンが劇場版第2作『14番目の標的』について触れている。本作の伏線が、OVA『コナンと平次と消えた少年』で服部平次と備前平四郎が会話するシーンの間に挿入されている。たこやき屋のシーンで描かれている。2016年に開催された歴代映画19作品の人気投票で、本作は第1位を獲得した。主人公・江戸川コナンより彼のライバル・服部平次が活躍する内容となっており、彼の特技である剣道をメインとした激しい刀剣アクションや、アニメーターによる手描きと3DCGを併用したバイクアクションが繰り広げられる。作品解説の一部も平次が担当しており、彼の幼馴染・遠山和葉も一緒に登場している。テレビシリーズのキャラクターからは、大滝悟郎が初登場しているほか、綾小路文麿も初登場し、後の劇場版やテレビアニメ、原作にも登場することとなる。劇場版シリーズの中で唯一、コナンが新一の身体に戻った作品である。毛利蘭が新一(コナン)の手によって腕時計型麻酔銃で撃たれるのも、(未遂を除けば)2020年現在、本作だけである。よる捜査の結果、殺された5人が古美術品を狙う窃盗団「源氏蛍」のメンバーであることが明らかになった。源氏蛍のメンバーは首領を義経とし、部下は弁慶以下、義経の家来の名前で呼ばれており、全員が義経記を所持していることが特徴だが、殺されたメンバーは義経記を持ち去られていた。3名となったが、彼らの情報は年齢も性別もまだわかっていない。同じ頃、小五郎は山能寺の僧侶、竜円から依頼を受け、コナンたちを連れて京都を訪れる。山能寺では8年前、12年に一度公開する秘仏の薬師如来像が何者かに盗まれており、最近その仏像のありかを示すという謎の絵が差出人不明で山能寺に届いたので、小五郎に解読を依頼したのだった。彼らは剣道仲間でもあるということである。コナンは秘仏を盗んだのは源氏蛍だと推理し、謎の絵の解読のヒントを求めて義経と弁慶に縁の深い五条大橋を訪れたところ、服部平次と遭遇する。平次も源氏蛍の事件を追っていたため、ふたりで捜査を進めることとなった。途中、コナンは平次から彼の初恋に関するエピソードを聞く。それは8年前、平次が小学校3年生の頃、京都の寺で見かけた少し年上と思しき着物を着た、手毬唄を歌っていた少女だった。平次はその場で水晶玉を拾っており、以後彼女のことを知る手がかりとして、京都を訪れる際は必ずその水晶玉を持ち歩き、また平次が雑誌に取り上げられた際もその水晶玉を見せているため、和葉もそのことを知っているという。彼らは鞍馬山を訪れるが、そこで平次がライダースーツの人物に弓矢で狙撃される。コナンの機転でそれをかわし、2人はバイクで追跡するが取り逃がしてしまった。その夜、コナン一行は先斗町の御茶屋を訪れるが、そこで桜が何者かに殺害されてしまう。桜は茶屋の納戸を物色していた上、コナンと平次が桜の古美術店を調べた結果、彼が源氏蛍のメンバー・伊勢三郎であることが分かり、加えて桜は暗号の絵のコピーを持っていた。千賀鈴を挙げるが、店の中から凶器は発見されず、さらに納涼床にいた園子が水音を聞いていたにもかかわらず下を流れるみそそぎ川からも何も発見されなかった。平次が和葉を乗せて帰宅する途中、平次は再びライダースーツの人物の襲撃に遭う。その人物は翁の能面をかぶり、木刀による対決を申し込んでくる。平次は見たことのない剣法に苦戦し負傷、窮地に陥ったところを和葉の機転によって救われる。犯人は平次の落とした水晶玉を回収しようとした上、凶器の短刀を置いていってしまっていた。検証の結果、桜の殺害と平次襲撃の凶器は同一のものであった。平次は一度は入院するも、病院を抜け出して捜査を続ける。その途中、コナンと平次は千賀鈴が手毬唄を歌うのを聞く。京都の子はみな、この唄で通りの名前を覚えるということだったが、平次は自身の初恋の相手が彼女だと確信する。初恋の子が歌詞の「姉さん」の部分を「嫁さん」と歌っていたことは気になるようだった。義経か弁慶のいずれかが既に死んでいる可能性が上がる中、コナンは暗号の絵は京都の通りの名を表したものであり、それを結んでできた漢字が、宝石の意味を持つ「玉」の字の点に当たる位置にある仏光寺が仏像のありかであると推理する。平次の様子からかつて平次が水晶玉を拾った寺が山能寺であると推測しており、水晶玉は初恋の少女のものではなく、山能寺から盗まれた仏像にはめ込まれていた白毫であること、犯人が平次を襲撃したのは雑誌の記事から白毫を所持していることを知ったためであること、義経が死期を悟り、仏像の隠し場所を暗号として部下たちに配り、それを発見したものを次の首領とすることを遺言したこと、桜は唯一売却のルートを握っていたため、自身の身だけは安全と考え、剣の達人である殺人犯に他の全員を殺すよう持ちかけたが、自身も殺されてしまったこと、犯人は唯一の生き残りとなっても暗号が解けないことにはどうにもならないことから、名探偵の毛利小五郎に解読を依頼したことを推理する。仏光寺についたコナンたちは、宝があるのはここではなく、移転して碑のみが残る玉龍寺であると気付いたが、そこへ平次に電話がかかってくる。それは和葉を誘拐したことを知らせるもので、1時間後、1人で鞍馬山の玉龍寺へ来いというものであったが、手傷を負って具合の悪かった平次はその場に倒れてしまう。平次は玉龍寺に現れ、推理を披露する。犯人は桜を殺害した後、凶器を発信機とともにペットボトルに入れて流し、のちに周波数をたどって回収した。平次襲撃の際にあえて凶器を残すことにより、ふたつの事件の犯人は同一であるが、桜殺害の前後御茶屋にいた人物には凶器を隠しておけないと錯覚させることにより、容疑者から外れようとしたものであるとし、犯人を武蔵坊弁慶こと西条であると指摘した。西条の言動や所作から、弓の使い手であるにかかわらずそれを隠していることを看破したためである。西条は弁慶より義経に憧れており、義経流という剣道の流派を知ってからはそれを独学で学び、自ら義経流後継者を名乗る。源氏蛍の首領が住職で、廃寺になってからも管理していた玉龍寺を道場として使っていたが、住職が死んで寺が取り壊されることになったため、洛中に義経流の道場を作るための金を必要としたのが犯行の動機であった。西条は仏像がこの寺にあることを聞いた後、般若の面をつけた弟子たちに周りを囲ませ斬りかかるが、和葉は平次が別人であると叫ぶ。それは工藤新一の変装であり、阿笠博士と灰原哀が開発した、風邪と同じ症状を引き起こす薬を飲んで体の抵抗力を落とした状態で白乾児を飲むことによって新一の姿に戻ったのであった。強い風邪を引いているのと同じ状態であった上、白乾児の効果が早くも切れかけ思うように動けず、西条の弟子に斬られかかるが、それは変装した平次であった。平次は新一を逃がし、西条の弟子たちと斬り結ぶが、刀が折れてしまい寺の中へ逃げ込む。平次と和葉が立て籠もった部屋は和葉が閉じ込められていた部屋であり、和葉は弟子たちの会話から、予備の刀がその部屋の箪笥の「弁慶の抽斗」に入れられたことを聞いていた。その箪笥の形は京都の通りと一致しており、「弁慶の抽斗」は弁慶石にあたると考えられたが、平次は通りの位置を思い出せない。すると和葉が手毬唄を歌い平次に場所を教える。和葉は、歌詞の「姉さん」の部分を「嫁さん」と歌った。箪笥から村正を入手した平次は和葉を逃しながら屋根に上がり、西条との決着に挑む。和葉が建物の外まで出たところで、新一の姿で蘭と束の間逢い、麻酔銃で眠らせた後、小学生の姿に戻ったコナンが合流する。平次は猛毒を塗った小太刀との二刀流を使う西条に手こずり、屋根から落ちそうになった上、弟子たちには弓で狙われるが、コナンは弟子の注意を惹きつけ、射られた矢を足場として飛び上がり、ボール射出ベルトを使って西条の小太刀を弾き飛ばし、平次は西条を峰打ちにする。そこへコナンが火で呼び寄せた小五郎や警察たちが駆けつけ、西条たちは逮捕される。翌日、小五郎は暗号が解けないまま山能寺を去るが、竜円と円海が扉を開けると、平次の野球帽が被せられた薬師如来像が置かれていた。実は玉龍寺もまた上から見ると「玉」の字になっており、この字はうかんむりをつけると「宝」となるが、うかんむりは屋根を意味しており、点の位置に当たる鐘楼の天井裏に仏像が隠されていたのであった。円海は「あのふたりは義経と弁慶のようないいコンビだった」と語り、それを小五郎と平次のことだと解釈した竜円を修行が足りないと笑う。和葉は手毬唄を歌い、歌詞の間違いを平次に指摘される。それは小学校3年生の頃、平次とともに京都の親戚の家へ出かけた折に覚えたということであった。着飾って化粧をした和葉を見て、そうとは知らず恋をしたことに思い至った平次は、「やっと逢えたっちゅうわけか」とつぶやく。蘭も新一と会ったときに汗を拭った汚れがハンカチに残っていたことに気付き、夢ではなく「やっと逢えたね」と思うのであった。