在与安室透合作解决医院离奇死亡案后不久，城市中又出现了一系列令人毛骨悚然的案件。多家知名咖啡馆陆续有顾客在饮用咖啡后出现中毒症状，其中数人抢救无效死亡。更可怕的是，警方在这些中毒咖啡中检测出人血成分，“人血咖啡”的传闻瞬间在城市中引起了轩然大波。
柯南和灰原哀立刻投身到案件调查之中。他们首先来到最早出现中毒事件的咖啡馆。店内一片死寂，桌椅凌乱，顾客们早已吓得不敢再来。店长面色苍白，惊恐地向柯南和灰原哀讲述事情经过：“当时那位顾客点了一杯招牌咖啡，刚喝了一口就开始呕吐、抽搐，我们都吓坏了……”
柯南仔细检查了咖啡馆的环境，包括咖啡豆储存区、冲泡设备等，但并未发现异常。灰原哀则对剩余的咖啡样本进行分析，发现人血是在咖啡冲泡后混入的，而且混入的血液经过特殊处理，似乎是为了掩盖其来源和气味。
“凶手能在咖啡冲泡后神不知鬼不觉地混入人血，要么是咖啡馆内部人员作案，要么就是对咖啡馆的操作流程非常熟悉。”柯南推测道。
他们开始排查咖啡馆的员工。在询问过程中，一名名叫小林的服务员引起了他们的注意。小林在面对询问时眼神闪躲，举止慌张。但当警方进一步追问时，小林却坚称自己与案件无关。
柯南和灰原哀并未放弃对小林的怀疑，继续暗中调查他的行踪。他们发现小林最近与一个神秘人频繁联系，通过追踪线索，找到了这个神秘人的住所。
这是一间位于偏僻小巷的破旧公寓。柯南和灰原哀小心翼翼地潜入公寓，屋内弥漫着一股刺鼻的气味，像是化学试剂的味道。在房间的角落里，他们发现了一些装有人血的容器和奇怪的实验设备。
就在这时，神秘人突然返回。看到柯南和灰原哀，他先是一愣，随后露出疯狂的笑容：“你们以为能轻易阻止我吗？这一切都是那些贪婪的商人应得的惩罚！”
原来，神秘人曾是一名医学研究员，他的家人在一场医疗事故中去世，而涉事医院正是由几家咖啡馆的老板共同投资的。神秘人怀恨在心，于是策划了“人血咖啡”事件，企图让这些老板身败名裂。
神秘人说着，从腰间抽出一把匕首，向柯南和灰原哀扑来。柯南迅速反应，与神秘人展开搏斗。神秘人虽然疯狂，但柯南凭借着敏捷的身手和过人的智慧，逐渐占据上风。
最终，柯南成功制服了神秘人，警方随后赶到，将神秘人带走。“人血咖啡”案成功告破，城市的咖啡馆重新恢复了生机，柯南和灰原哀再次凭借他们的智慧和勇气，守护了城市的安宁。
警视厅恢复了往日的宁静柯南灰原哀安室透联手破解各种悬案，为死者申冤，从现场勘察寻找新的突破盲点迎接新的旅程。