城市的宁静再次被一桩惊悚案件打破。在城郊一处偏僻的建筑工地，工人们在挖掘地基时，意外挖出了一具无头女尸。尸体上的衣物已经破旧不堪，且有多处破损，像是经历了激烈挣扎。周围的土壤被翻动过，似乎凶手曾试图掩盖尸体，却没想到被施工破坏了藏尸地。
柯南和灰原哀接到消息后迅速赶来。柯南仔细勘查着现场，眉头紧锁：“尸体被埋得并不深，凶手应该是匆忙掩埋，而且这处工地近期才开始动工，说明弃尸时间并不久。从尸体的腐烂程度初步判断，死亡时间大概在一周左右。”
灰原哀则在一旁检查尸体，“没有头部，无法通过面部特征确认身份。但从骨骼结构和手指上的茧子来看，死者生前可能从事手工劳作，也许是个手工艺人或者经常从事体力劳动的人。”
警方开始对周边区域展开排查，询问附近居民是否有失踪女性。柯南和灰原哀则回到警局，等待进一步的尸检报告。报告显示，死者体内有一些残留的药物成分，是一种强力的镇定剂，推测凶手先用药迷晕死者，再实施杀害并斩首。
柯南和灰原哀决定从镇定剂的来源入手调查。他们走访了城市里的各大医院和药房，发现一家私人诊所曾大量订购这种镇定剂，而订购人是诊所的老板——藤井医生。
两人来到诊所，藤井医生看起来神色紧张。面对柯南和灰原哀的询问，他说话结结巴巴：“那、那些药是给病人用的，最近失眠患者比较多……”
柯南注意到诊所的一些医疗记录有篡改痕迹，更加深了对藤井的怀疑。经过进一步调查，他们发现藤井与一名女手工艺人有频繁接触，而这名女手工艺人在一周前失踪，种种迹象表明她极有可能就是无头女尸的主人。
在警方对藤井的住所进行搜查时，在地下室找到了一个隐藏的暗格，里面存放着一些女性衣物和首饰，还有一把带血的手术刀，很可能就是斩首凶器。
在确凿的证据面前，藤井终于坦白。原来，他沉迷于女手工艺人的作品，多次求爱无果后，心生邪念。他用镇定剂迷晕女手工艺人并囚禁在家中，试图强迫对方接受自己，却遭到激烈反抗。慌乱之下，他失手将其杀害，为了掩盖罪行，斩下头颅并埋尸于建筑工地。
无头女尸案成功告破，柯南和灰原哀再次让真相大白于天下，城市又恢复了往日的平静。
随后江户川柯南回到了警局整理今天的无头女尸案子结论，灰原哀给柯南倒了杯咖啡，满是柔情说:没想到死者生前受到这么大的折磨与伤害真是人性啊！。柯南回答:罪人心人性的险恶决定他会犯下如此案子。
这座城市罪犯凶手蠢蠢欲动准备犯下新的案子审判罪犯，决定，人心，柯南灰原哀，下定誓死守护这座城市安宁。新的案子会如何上演出新的开始。