晴朗时节，江户川柯南（高山南 配音）和毛利小五郎（小山力也 配音）、小兰（山崎和佳奈 配音）以及少年侦探团的伙伴们一同来到京都，他们即将登上自卫队的宙斯盾战舰，体验一把出海作战的感觉，期间还结识了美丽又有着几分神秘的女自卫队员藤井七海（柴咲幸 配音）。谁知快乐的氛围很快被恐慌所替代，战舰上突然发现一条断掉的手臂，消失的自卫队员又引起军方的恐慌与猜测。原来某国神秘间谍X已悄悄登上宙斯盾，伺机盗取战舰上的绝密情报。为了找出隐藏的对手，柯南和灰原哀（林原惠美 配音）、阿笠博士（绪方贤一 配音）、服部平次（堀川亮 配音）以及远山和叶（宫村优子 配音）通力合作，与间谍展开连番斗智斗勇的较量…

故事发生在日本的江户时代，一名神秘的男子出现在了武士桂小太郎（石田彰 配音）的面前，他手握妖刀“红樱”，要求试刀，这个夜晚之后，桂便下落不明。桂的宠物伊丽莎白（高松信司 配音）找到万事屋的神乐（钉宫理惠 配音）和新八（坂口大助 配音），委托他们寻找主人的下落。同时，银时（杉田智和）也受到委托，寻找四处作恶的红樱的下落。三人的线索汇聚到了一艘空中飞艇上，由于远离警察的管辖范围，飞艇里的恶势力一手遮天。在那里，银时遇见了曾经的战友现在的对手高杉晋助（子安武人 配音），高杉正带领着自己的鬼兵队企图毁灭江户。一面是穷凶极恶的恐怖分子，一边是暴虐嗜血的妖刀红樱，身受重伤的银时能够平安脱险拯救江户吗？