Синъити Кудо, гениальный старшеклассник-детектив, превращенный в ребенка из-за яда таинственной организации, вновь берется за дело, которое на первый взгляд кажется сказкой. В тихом приморском городке, где Конан Эдогава отдыхает с Ран и профессором Агасой, происходит серия загадочных краж. Жертвами становятся коллекционеры редких растений, у которых исчезают уникальные цветы, но самое странное — на месте каждого преступления находят лепестки необычного, светящегося в темноте цветка, который местные жители называют «Лунной лилией». Согласно легенде, этот цветок распускается только раз в сто лет и исполняет желание того, кто его найдет. Полиция списывает все на суеверия, но Конан замечает, что кражи подчиняются строгой логике: злоумышленник выбирает жертв в определенном порядке, словно собирает пазл. Вскоре выясняется, что все пострадавшие когда-то участвовали в одной научной экспедиции, изучавшей редкие виды в джунглях Южной Америки. Конан подозревает, что за кражами стоит кто-то из их бывших коллег, но мотив остается неясным. Ситуация накаляется, когда похищают самого профессора Агасу, который случайно оказался владельцем одного из украденных растений. Конан понимает, что времени почти нет: следующее полнолуние, когда Лунная лилия должна зацвести, наступает через три дня, и если он не найдет преступника, цветок исчезнет навсегда вместе с шансом раскрыть тайну.
Параллельно с расследованием Конан сталкивается с личной драмой. Ран, которая все еще ждет возвращения Синъити, начинает подозревать, что Конан знает больше, чем говорит. Она случайно находит в его вещах фотографию Лунной лилии и записку с координатами заброшенной оранжереи на окраине города. Решив проверить это место самостоятельно, Ран попадает в ловушку, устроенную преступником. Конан, используя свои навыки дедукции и изобретения профессора, выходит на след злоумышленника — им оказывается тихий ботаник, который в прошлом был одержим идеей найти Лунную лилию, чтобы спасти свою умирающую дочь. Он считает, что цветок обладает реальной силой, и крадет его части, чтобы воссоздать полную картину в своей лаборатории. В финальной сцене, в старой оранжерее под светом полной луны, Конан разоблачает преступника, но тот в отчаянии пытается уничтожить цветок, чтобы никто не смог его использовать. В ходе борьбы Конан получает удар по голове и на мгновение теряет сознание, а когда приходит в себя, видит, что Лунная лилия начинает увядать. Однако Ран, освободившись из плена, успевает сорвать один лепесток и приложить его к ране Конана. Цветок мгновенно высыхает, но Конан чувствует, как боль уходит. Преступник, осознав, что его вера в магию была иллюзией, сдается полиции. В финале Конан и Ран стоят на берегу моря, и он обещает ей, что однажды расскажет всю правду, но пока просит верить ему. Ран улыбается, сжимая в руке засохший лепесток, который так и не стал волшебным, но подарил им еще один день вместе.
