個性豊かなキャラクターが織りなす本格ミステリーと胸キュンのラブロマンス、熱い友情物語で老若男女のハートをガッチリと掴み、向かうところ敵ナシの人気シリーズ「名探偵コナン」。今回登場するのは、“迷宮なしの名探偵”コナン＝工藤新一と人気を二分する怪盗キッドが大活躍するヒット作「天空の難破船（ロスト・シップ）」だ！
女子のハートを熱くするラブロマンスに加えて、男性ファンも大満足のミステリーも本格派！今回のコナンの敵は、「赤いシャムネコ」を名乗るテロリスト集団が飛行船に仕掛けた殺人バクテリア。一度感染すれば80％の確率で死に至るという最悪の兵器だ。テロリストの目的は、飛行船を爆破し、空から無差別に細菌兵器を日本中にばらまくことのようなのだが…それが彼らの本当の最終目標なのか!? 飛行船という閉ざされた空間を舞台に、抜群の推理力を駆使して、凶悪なテロリストと知力と体力の限界まで戦いぬくコナンの姿に、胸が熱くなる！
新種の細菌を研究している国立東京微生物研究所が７人組のグループによって襲撃された。犯人は、財閥をターゲットにテロを繰り返してきた「赤いシャムネコ」。彼らが研究所から盗み出したのは、感染すると全身に発疹が現れ、80パーセントの確率で死に至るという脅威の殺人バクテリアだった。その感染力は非常に高く、治療薬はまだ開発されていないという。「赤いシャムネコ」は７日以内にそのバクテリアを使って“次の行動”を起こすという犯行声明をインターネット上で発表。世間は「赤いシャムネコ」のニュースで持ちきりになっていた。
そんな中、この事件に怒り心頭の男が一人。その男とは、コナン（高山みなみ）たちの友人・園子（松井菜桜子）の叔父で、鈴木財閥の相談役である次郎吉（永井一郎）だ。「赤いシャムネコ」のニュースがなければ、彼が所有する巨大な飛行船「ベル・ツリーⅠ世号」が、世間の話題を一人占めしていたはずだったのだ！ というのも、かの有名な怪盗キッド（山口勝平）が、「ベル・ツリーⅠ世号」に展示される宝石「天空の貴婦人（レディー・スカイ）」を狙っていると挑戦状を送ってきていたのだ。数日後、園子から招待されたコナンと蘭（山崎和佳奈）や小五郎（小山力也）、阿笠博士（緒方賢一）に灰原（林原めぐみ）、少年探偵団の面々を乗せて、「ベル・ツリーⅠ世号」は東京から大阪への試験飛行へと飛び立った。
コナンたちと飛行船に乗り合わせたのは、コナンとキッドのバトルを取材に来たルポライターの藤岡と、あるテレビ局の水川ディレクター、リポーターのかすみにカメラマンの石本。次郎吉から船内を案内してもらった一同は、キッドが現れるまでは自由時間と、それぞれに空の旅を楽しみ始める。少年探偵団も何か企んでいる様子だ。そんな中、「天空の貴婦人」をもう一度見ようとスカイデッキに向かった蘭は、居合わせたウェイターがキッドであることを見やぶる！ ここで正体がバレるわけにはいかないと、キッドはとっさに自分の正体が新一だと口走ってしまう。そんなはずはないと思いながらも、久しぶりの新一との再会に心をときめかす蘭。
そんな中、「赤いシャムネコ」が飛行船の喫煙室に殺人バクテリアをばらまいたことが判明。その言葉通りに、喫煙室の椅子の下から空のアンプルが発見され、喫煙室に出入りしていた藤岡の身体には赤い発疹が…。ついさっき、藤岡からクシャミを浴びせられた元太（高木渉）も感染しているかもしれない!! 姿の見えない少年探偵団を追って飛行船の裏通路に向かったコナンは、立ち入り禁止区域で３人を確保。しかしその直後、飛行船は「赤いシャムネコ」たちの手でハイジャックされてしまった!!
彼らが船内に爆弾を仕掛けるのを目撃したコナンは、少年探偵団の力を借りてすべての爆弾を回収し、起爆装置を解体することに成功。しかしテロリストに見つかったコナンは、なんと、飛行船の窓から投げ出されてしまう。そんなコナンを救おうと窓から飛び降りたのは、怪盗キッド！ キッドのグライダーで地上に降り立った２人は、ひと芝居打って飛行船を追う警視庁のヘリに乗りこみ、再び飛行船に戻ることに成功するが…。
飛行船内では、藤岡から掴まれた腕に発疹を発症した蘭が、絶望の中で新一の救いを待ちわびていた。一方、殺人バクテリアの噂で関西地方中がパニックになる中、平次（堀川りょう）はコナンと連絡を取りながら、テロリストたちの行く手を阻もうと奮闘。そしてコナンは、テロリストのリーダーと直接対決することに。また、お宝を狙うキッドも諦めたわけではなかった。最後の闘いに挑む彼らを待ち受ける、思いがけない結末とは？
