鈴木次郎吉想在鈴木家的博物館辦壹個展覽，目的是讓散落在全球各地的博物館和私人收藏家手裏的7幅向日葵聚在壹起讓大家觀瞻。故事壹開篇就是次郎吉在紐約的拍賣會上用三億美刀拍下了排行第二的那副向日葵，這副花又被稱作“蘆屋的向日葵”，本來是日本的收藏家所有，但在二戰的時候疑似被毀，後來在國外被發現，確認是真跡以後就拿來拍賣了。
拍賣結束以後的新聞發布會上次郎吉介紹了負責護衛畫作安全返日的“7位武士（7人の侍）”，其實就是7位保鏢啦（實際上在場的只有6位，因為第7位是毛利小五郎，他負責畫到達日本以後的保衛工作）。然後基德突然出現，並在眾目睽睽之下逃脫，之後（基德假扮的）新壹出現在會場裏，次郎吉邀請他同行以保護畫的安全。壹行人坐專機返回日本，快到羽田機場的時候基德起身到貨倉查看畫的狀態，發現畫附近的安全門上被裝了炸彈，緊接著安全門被炸開並飛到了飛機引擎裏，導致飛機失控，畫被強大的氣流沖出機艙，基德以新壹的姿態飛出去追畫，被園子看見了。飛機緊急迫降成功，基德搶到畫以後就近降落在壹個大樓樓頂，被柯南追蹤以後逃掉，柯南指引大人們找回了畫，重新交給了次郎吉。
他們落地以後在美術館檢查畫是否有損傷，發現沒有任何損傷準備裝箱的時候，7武士裏面的壹個鑒定專家發現箱子的蓋子背面粘著壹張基德的卡片，上面寫著“畫我已收下”，眾人懷疑畫已被掉包成贗品，但經過鑒定專家鑒定以後看不出有贗品的跡象，說要拿到專業機構去進行精密鑒定才有結果。這時候美術館的壹個保安站出來說“不必了，這畫是真的，我可以擔保”，接著他撕掉了偽裝，原來是基德假扮的。基德塞了壹張卡片給次郎吉，然後逃掉了。眾人從基德留下的卡片裏推算出基德的下壹個目標不是排名第二的這幅向日葵，而是排名第五的那壹幅，而這幅畫正在其他的博物館展出。
柯南事先推理出了基德的下壹個目標就是第五幅畫，正好少年偵探團壹行人要去博物館看這幅畫，他就順便去了。
在這有壹個柯哀發糖的小細節：少年偵探團壹行在博物館參觀第五幅向日葵，畫前坐著壹個老奶奶，盯著畫壹動不動，因為那畫讓她想起了死去的心上人。這時候偵探團其他孩子看完都去買紀念品了，只有柯南和哀留了下來，柯南仔細看畫，哀則看著他。老奶奶看出來端倪，就對哀說：比起畫妳好像對別的東西更感興趣，哀臉紅了壹下，說我倆不是妳想的那種關系。老奶奶說，妳看他的眼神就跟七十年前的我壹樣，妳的眼睛永遠只註目於他。但是不做點什麽僅僅只是看著他的話，總有壹天妳會後悔的。哀回答說，我會盡量不讓自己後悔。
正說著話，次郎吉跟毛利小五郎壹行人來了，柯南就問是不是基德的下壹個目標是這幅畫，次郎吉說是的，並且要求這個美術館的館長下午早點閉館然後把畫保護起來。然而基德還是成功把畫偷跑了。具體是怎麽偷跑的這壹段記得不太清楚了。基德留下壹張卡片，要求館方帶著300億日圓到某酒店房間贖回畫，次郎吉替館長出了這筆錢，並且成功說服館方若畫成功找回就要協助他那個7幅畫聯展的計劃。
在旅館房間，基德如約而至，用了壹些使室內氣壓增高的小伎倆，使得他破窗而入的同時，室內掀起大風，把300億日圓現金吹得到處亂飛，讓警察無法瞄準他。然後基德就順利逃跑了。畫被裝在房間的畫框裏，被成功回收，次郎吉單方面宣告了對基德的第二次勝利。
博物館館長依照諾言允許第五幅畫在次郎吉指定的新建美術館裏參展，並且說動了其他博物館和私人收藏者把自己手裏的畫都拿過來壹起參展。
開幕當天新開的博物館戒備森嚴，所有人都必須經過嚴密的X光檢查才可入場，畫也受到嚴密的保護，安全措施固若金湯，但基德不需要變裝就輕松偽裝成了工藤新壹的樣子入場，因為他倆本來長得就差不多。柯南在展館1樓撿到了基德留下的卡片，上面有兩個算式，他們開始推理這兩個算式的意義。最後的結果是，基德試圖通過這張卡片告訴次郎吉，他周圍的十三個人裏有壹個人是圖謀不軌的內奸。
內奸使用了某種助燃劑燒掉了博物館的發電系統，導致全館停電，同時趁機在全館各處縱火，並在第二和第五幅畫前面裝了阻礙回收系統的幹擾物，想通過大火毀掉第二和第五幅畫（其他幾幅畫已經通過內置的應急系統安全轉移到地下室）。
火勢蔓延到中央控制室，壹行人快速撤離到地下室。在博物館遭遇異常事態的時候機械裝置會自動回收並保護所有畫轉移到地下室，他們就是撤退到那裏的。
其他畫都成功撤離，只有第二和第五幅沒有，柯南在撤離之前通過中央控制室的監控屏幕註意到這個異常，就跑到了第二幅畫的展廳，看到正在奮力搶救第二幅畫的、變裝成了新壹的基德。在這之前基德已經把妨礙第五幅畫撤離的障礙給去除掉，讓第五幅畫順利轉移走了，但卡在第二幅畫的機械裝置上面的東西太難弄掉，他壹個人解決不了。這時候蘭來找柯南，看到了變裝成新壹的基德，基德將錯就錯用新壹的口吻請蘭用空手道踢碎墻壁把畫救出來之後畫順利進入墻壁後的滑道，向地下室轉移，但因為大火的原因，建築物開始坍塌，三人落水，蘭暈了過去。
三人好不容易到了壹個比較穩定的地方，之後柯南問基德有沒有辦法逃出去，基德說之前預留了壹條逃跑路線但只能壹個人飛過去。柯南就拜托基德帶著蘭飛出去，然後自己另想辦法逃脫。在這期間柯南通過跟基德的交流，推理出了對畫圖謀不軌的真犯人並且通過團隊裏人手壹個的藍牙耳機，利用新壹的聲線做了推理，迫使犯人自首。
基德抱著蘭好不容易逃出重圍降落在湖邊的森林裏，毛利小五郎等人看到了基德的滑翔翼，急忙來救蘭。
柯南在已經坍塌的美術館裏再度遇險落入水裏，但發現了被卡在水下未能到達地下室的第二幅畫，他用足球腰帶做了壹個會爆炸的足球，利用爆炸產生的沖力在水裏炸開了墻壁，使得畫順利上浮到湖面被毛利壹行人發現，但自己卻因為力竭沒能抓住畫框，沈入水底。不過聽到蘭的叫喊聲以後用最後的力氣按了壹下足球腰帶，彈出了壹個特大號充氣足球把他拖上了湖面，然後他被小五郎救了起來。
關於兇手，由於這壹次並沒有死人所以談不上什麽兇手，但對畫圖謀不軌之人是有的。顯而易見這次基德不是來偷畫，而是來保護畫的，毀畫的人是七武士裏的其中之壹。他在畫還在紐約的時候就已經打算下手，但沒成功。在飛機上用炸彈炸門想順便毀畫的陰謀又被基德阻撓。看到第二幅畫破壞無望以後又打起了在日本本土展出的第五幅畫的主意，但被基德事先察覺，給毛利偵探事務所送了壹張預告卡片，意在提醒他們重點盯防第五幅畫。
這麽壹來破壞者的計劃又破產了，無奈只能在新博物館直接下手燒毀兩幅畫。但這個陰謀也被基德和柯南聯手擊碎，柯南更借由基德打入七武士中的臥底偵知了真犯人。
犯人的動機是，他認為第二幅和第五幅向日葵不是梵高本人所作，而是贗品，因此無法忍受它們被作為梵高的作品而展出，於是就想燒掉。
基德保護畫的原因則是受到了自己家的老管家寺井老爺子所托。老爺子年輕的時候曾是那個收藏了第二幅向日葵的大家族的下人，他暗戀著這家的大小姐。有壹天，房子著起了大火，大小姐喜歡的那個小夥子在火中奮力搶救出了那幅向日葵然後死於火海，那時候還是個年輕人的寺井就拿著畫，帶著大小姐逃出了火場。那個大小姐就是前面提到的柯哀發糖那段的那個老奶奶，在火場裏死了的就是她那個“只是盯著他看的話遲早會後悔”的那個心上人。
寺井化裝以後混入了七武士，其實壹直暗中在給基德提供情報。至於基德為什麽會知道有人要對畫動手，是因為那個人曾經拜托過基德去偷那兩幅畫，大概是寺井知道了這事所以反過來讓基德去保護那兩幅畫，為了能讓他心愛的那個老奶奶每天都可以繼續看到，也是為了守護她的回憶，這就是基德出手保護畫的原因。