东京都，高木和佐藤抓获两名抢劫犯，犯人提及“海盗旗”，画面随即切换至神海岛。毛利小五郎抽中30万日元奖金，本打算独自前往巴黎游玩，最终却带着兰、园子、阿笠博士和少年侦探团来到这座小岛。 神海岛有沉入海底的古代遗迹、海底宫殿，还有300年前真实存在的Anne Boney和Mary Read两位女海贼遗留宝藏的传说。两个月前，宝藏被找到的流言吸引了大批游客和寻宝人，毛利未能在酒店订到房间，他们被当地观光课长岩永带到经营民宿的美马和男家中。少年侦探团参观当地博物馆，馆内有两件珍贵物品——两把女海盗的武器弯刀和手枪。在岩永的建议下，少年侦探团玩起了寻找宝藏的游戏。 另一边，兰和园子去潜水看海底宫殿，在负责此次海底之旅的店中遇到三名宝藏猎人，分别是松本光次、伊豆山太郎和另一名男子。兰、园子和导游潜入海底时，那名男子遭鲨鱼围攻，松本和伊豆尽力保护，但他还是不幸身亡。柯南调查发现，男子潜水衣下有塑料袋痕迹，是有人故意放置鱼血，随着潜水深度增加，压力增大致使塑料袋破裂，血腥味引来鲨鱼群。 此次事件让目暮警官、白鸟、佐藤、高木来到海岛，经指纹鉴定，松本是世界知名寻宝人，且身负多起案件，是国际通缉犯，海底有宝藏的传言愈发可信。少年侦探团继续寻宝游戏，博物馆传来女海盗的手枪和弯刀被盗的消息，柯南调查时发现两名寻宝人偷盗物品后遭人狙击。 第二天，兰和园子被两名寻宝人劫为人质。台风来临，少年侦探团解开寻宝游戏的暗号，柯南发现民宿主人美马曾是寻宝人，在其帮助下得知寻宝游戏地图是依照真正的寻宝图绘制的。解开暗号后，柯南得知宝藏位于附近赖亲岛周围海域，但入口狭小，只有小孩能进入。柯南在美马的协助下去了赖亲岛营救兰和园子。园子胳膊被划伤，为引开鲨鱼让受伤的寻宝人逃生，自己陷入鲨鱼群，兰拼命营救，二人顺利进入海底宫殿。 毛利得知女儿情况后试图救助，却因台风只能等待。松本、伊豆、兰、园子找到女海贼所藏的海贼船，却未发现宝藏，松本和伊豆欲杀人灭口，关键时刻柯南赶到，岩永也跟随来到海底宫殿，所有谜题随之解开。此时地震发生，海底宫殿即将倒塌，柯南利用甲烷爆炸打破宫殿顶部，让海盗船浮出水面。台风过去，毛利一行人在海上等待，海盗船因年代久远浮出水面后解体，掉入水中的6人被目暮警官一行人救起。