麗麗體育健身俱樂部即將重新開業，宮本由美的一位朋友送給她幾張運動卡。由美便約千鈞、靜楊等幾人一起去玩。大家商量一下就答應下來，到了那天四人跟由美一起開車趕到麗麗俱樂部。剛巧，踫到了毛利三人組，原來柯南和小蘭又抽中了幸運簽，成為俱樂部的特別嘉賓，被請來參觀。小蘭那種逆天的運氣，讓大家羨慕不已。麗麗俱樂部的各種健身器材非常齊全，來的人也不少。
大家一起在跑步機上鍛煉身體，毛利偵探跑不動，累倒在跑步機上，喘息道，「我不行了，累死了。」千鈞好笑，「大叔的體力真的不行了，虧你號稱柔道高手呢。」小蘭責怪老爸，「真是沒用，都是總喝酒不運動的關系，現在知道後果了吧。」小五郎惱怒，「胡說，我們做偵探的人靠的是頭腦！」柯南嘲笑，毛利叔叔破案靠的不是腦子而是肚子。由美她們4個也都笑起來，紛紛解圍，稱贊大叔的偵探智能。
這時，在不遠處，記者將俱樂部的女社長佐伯麗子圍住采訪，她提到俱樂部重新開張是多年的心願。佐伯麗子，是個中年婦女，容貌普通，看得出來年輕時也是個美女，可惜現在風華不再。她也是跳水選手出身，因此對運動非常看重。小蘭主動提議，大家一起去游泳池那邊看看，至于老爸就先不管了，讓他自己歇著吧。
游泳池建造的非常豪華漂亮，玻璃外牆，里面還有不少客人。其中一位美女帶著一些孩子，她在教導他們游泳。在高台上，還有人做跳水練習。一個膚色較深的青年男子跳水非常出色，贏得了一片掌聲。由美提到，此人名叫西條直也，以前就是這個俱樂部的運動選手。後面一個青年男子也隨後跳水，但是明顯水平較差。西條大聲嘲笑，「搞什麼啊，這樣也能做代表選手嗎？你行不行啊？」這個帥氣的年輕選手名叫成瀨圭一，「我只是缺乏練習而已，你放心，等開幕典禮之後就沒問題了。」
西條冷笑，「真是這樣嗎？真的是缺乏訓練嗎？」成瀨惱怒，「你這話什麼意思？」西條不屑，「照你剛才的動作看，比賽的結果是可以預見的。」成瀨大怒，「你說什麼！」眼看二人要上演全武行，旁邊一個穿著上衣的游泳選手急忙上前勸解，「你們兩個別這樣！這里還有很多人和記者呢！」西條大笑，「木島，你居然用這種口氣跟我說話！」這個選手名叫木島久，也非常帥氣，耳朵上還有裝飾品。木島急忙說，「不是了，我沒什麼特別的意思。」
西條冷笑，「你戴那種耳環的樣子，我就是看不順眼。」千鈞覺得西條直也雖然怪了點，脾氣也不好，這句話到很合自己的心意，一個游泳選手，戴著耳環搞什麼飛機啊。西條接著教訓，「你這種人根本沒資格來教訓別人。成瀨，快點練習了。」成瀨和木島只好憤憤離去。小蘭提到木島久本是西條直也的勁敵，但後來代表權被西條搶走了，所以現在轉到游泳項目上了。
這時，佐伯麗子帶著記者們過來，介紹這里跳水和游泳比賽的專用游泳池，此時正是那些選手們訓練的時間。西條直也後仰跳水，結果出現失誤，差點撞到台板上，多虧他急中生智伸手擊在台板上，才安然翻身下落到水中。佐伯麗子見他安然無恙，放下心來，責備他就算馬上就要比賽也不能太勉強自己，「你可是我們這里的王牌啊！」西條冷笑，「真是這樣嗎？你臉上好像寫著沒死還真遺憾，社長！」麗子臉色一變，強顏笑道，「你就是愛開玩笑啊，西條選手。」
西條不屑，「我會比得上你嗎？」然後自顧離開。佐伯麗子滿面都是怒容。千鈞笑道，「這個西條如此囂張，難道不怕老板給他小鞋穿嗎？」大家都笑著搖頭，開始四處參觀起來。柯南獨自跑去買飲料，看到佐伯麗子在走廊里給了西條一記耳光，「西條，你這個男人還真是差勁。我知道你想說什麼，但你根本沒證據。光憑那些謠言，就想發動新聞界和國稅局把開幕給搞砸嗎？」柯南正在偷听，小蘭突然出現在身後，問他在這里干什麼，柯南只好笑著說沒有了。
二人听到小蘭他們的聲音，麗子急忙轉移話題，告知西條記著8點鐘準時參加辦公室的慰勞酒會。隨後二人分開，西條打算繼續前去訓練，走過時掉下一張照片。柯南撿起來觀看，上面是成瀨圭一跟一個美婦在粉紅旅館的親密照片。柯南急忙將照片還給西條，西條從耳朵里面取下耳塞，笑著向柯南道謝，自語道這可是我的搖錢樹啊。回去的時候，柯南告訴了千鈞這件事情，千鈞詢問照片上的女人有多漂亮，二人有多親密，還說可以考慮去粉紅旅館偵查一次，柯南徹底無語了。
千鈞跟由美、靜楊、直子、小雅一起回到千鈞宅，輪流洗浴後，談論起今天的事情。千鈞心不在焉地用特殊的眼光盯著她們四個剛洗完後的曼妙身段，讓四女無不嗔怒。在晚飯過後，大家一起看了千鈞心目中的無聊肥皂劇後，就打算各自歸寢。四女決定不給千鈞任何偷香竊玉的機會。然而，這時卻接到了目暮警官的電話，讓大家過去一趟。
毛利偵探事務所，小蘭在老爸身上貼滿了膏藥。小蘭嘲笑老爸，「都是你太逞強了，以後少喝點酒，少抽煙。今天在由美面前真是丟死人了，一幫人就你體力最差。從今天開始要好好培養體力才行。」柯南也笑語，「叔叔現在最大的優點只有體力了。」小蘭提出要加入麗麗俱樂部，大叔轉移話題，電話里好像有留言。小蘭抱怨，「你听我把話說完啊，真是的。」柯南苦笑大叔沒有錢啊。
留言是目暮警官的，請大家一起到麗麗體育俱樂部來，西條直也跳水失敗而死。大家先後都趕到麗麗俱樂部，見到目暮警官。西條直也戴著游泳帽，躺在池水旁，已經死去多時了，警官和鑒識們正在拍照取證。警方推斷死亡時間是晚上8點到9點之間。而死因是溺水而死，柯南侃侃而談溺死的特征，警方也認定是溺死，大家奇怪看著柯南，這個孩子怎麼知道這麼多，柯南急忙說是懸疑推理劇里面演的。
千鈞苦笑這家伙又忘乎所以的出風頭，急忙幫忙轉移話題，「西條是著名的跳水選手，水性相當好，怎麼會無故溺死呢？」柯南發現西條的泳帽上有血，推斷是被什麼撞擊過。大家想起白天的事情，一起望向跳水高台。目暮警官也認為死者是跳水出現意外，撞到台板跌入水中後溺水而亡。毛利也支持這種說法，認為晚上練習時不小心失敗了。
柯南卻詢問當時是否有其他人跟死者同在這里練習，小五郎讓柯南閉嘴。佐伯麗子說他們都在為明天的開業典禮做準備，沒人陪同西條來這里練習。木島久也說最近比賽近了，西條一直在抓緊時間練習，今天也一樣。目暮警官提到了有一位目擊證人，是住在對面公寓的老人，他說看到了西條選手在做跳水練習。柯南詢問他是否看到了意外發生的經過，目暮警官一愣，回答確實沒有。
小五郎惱怒，再次扁了多嘴的柯南。千鈞卻覺得柯南的話很有道理，「拜托，目暮警官，如果他沒有看到意外發生的過程，就不能算直接的目擊證人，他的話只能作為旁證。」目暮警官點頭認可，柯南還提到西條每次練習時會戴著耳塞，鑒識人員已經將耳塞取走了。柯南看過後說跟白天見到的不一樣，白天的那對耳塞是淺藍色的，這個卻是h色的。小五郎認為一定是換過了，這沒什麼好奇怪的。
柯南卻說泳帽也不對，幾個女孩好奇問柯南哪里不對，柯南回答，「因為跳水選手通常不戴泳帽啊。」幾個女孩覺得大有道理，今天白天練習時那些選手都沒有戴泳帽。小五郎不屑，「人的心情都有陰晴不定的時候，你問這些瑣碎的事情有什麼意義呢？」柯南通過負責搜查的警官甲乙那里知道，西條的櫃子沒有上鎖，在櫃子附近的衣服上發現了乙醚的味道。千鈞和柯南一致認定這是一樁謀殺案，而不是意外。
這時，目暮警官把俱樂部的選手都召集起來，宣稱警方初步判定是意外。柯南大吃一驚，千鈞苦笑，目暮警官向來比較省事，喜歡簡化程序。目暮和毛利商量一下，準備收隊回去了。千鈞讓柯南快點想辦法，柯南也急出一頭汗，抱怨目暮和毛利是糊涂二人組。佐伯麗子向目暮警官確認了明天的開幕式不會受影響，目暮警官宣布今天晚上的調查取證到此結束了。麗子長出一口氣，向其他隊員宣布了明天開幕式照常舉行的決定。
柯南認為俱樂部內部人員作案的可能性非常大，因為案發當時所有的客人都離開了。千鈞和柯南趕到慰勞酒會辦公室，見到了二位正在清理垃圾的隊員。柯南詢問酒會中途是否有人離去，選手甲乙回答可能有人離開，當時人太多太熱鬧了，他們都沒有注意到。柯南判定肯定有人離開，三個嫌疑人，第一個是俱樂部的社長佐伯麗子，第二個是代表權被搶走的木島久，第三個是出現在婚外情照片上的成瀨圭一。
千鈞認為現在最大的問題是那位目擊老人的目擊證詞，就帶著柯南去拜訪了這位老人。原來這位老人坐在輪椅上，腿上有殘疾，而且是位畫家，老人自稱畫畫是業余的消遣。千鈞和柯南都看到了老人所畫的《月光下的跳躍》，他平時會在固定時間觀察後畫畫娛樂，這幅畫就是今晚畫的。老人認識西條，感嘆道，「太可惜了，都是他把燈關掉了，勉強練習才會發生這樣的事情。」千鈞和柯南都吃了一驚，老人說他也因此畫下以滿月為背景的這幅畫。
柯南問是否看清了西條先生的臉，老人直言太黑了沒看清，「不過，那景象真的太美了，我仿佛看到他臉上閃耀著光輝。突然覺得畫意泉涌，就急忙將其畫了下來。」柯南覺得不對勁，如果頭撞到台板上，身體的平衡會亂掉，而畫上非常正常。柯南看到畫作上的一個細節，眼鏡上光芒一閃，真相只有一個。千鈞按照柯南的吩咐將老人的這幅畫借來當做證物包好，二人匆匆趕回體育館。
小蘭、由美她們幾個到處尋找二人，見到二人回來無不抱怨。小五郎更是憤怒，「你們到底跑到哪里去了？」小蘭也道，「我們都擔心死了，到處找你們兩個。」靜楊氣呼呼地說，「千鈞，你怎麼老是帶著柯南亂跑，可別教壞小孩子！」千鈞被四女揪住大肆批評。小五郎也決定教訓一下柯南，開始追柯南，柯南急忙逃跑，情急之下跑上了跳水高台，大叔惱怒之下忘了恐高的事情，奮力追了上去。柯南無奈，只好射出麻醉針，擊中大叔的臀部，想讓沉睡的小五郎出現跳水高台上。小五郎搖搖晃晃眼看要掉下去，還好千鈞甩開幾個女孩跑了上來，急忙拉住毛利，讓他安穩坐下來，二人都出了一身汗。千鈞抱怨柯南太冒險了，差點出事。
幾個女孩也都嚇了一跳，詢問他們是否有事。柯南開始扮演小五郎，讓幾個女孩把所有人都叫到這里來。大家有些疑惑，由美看出來，這是沉睡的小五郎出現，急忙通知了目暮警官。大家到齊後，目暮警官頭疼，「這是怎麼回事，毛利老弟？」「我已經知道這次事件的凶手了。」目暮驚奇，「你不是也認為是意外嗎？」小五郎說這是一件看似意外的謀殺案件。
毛利偵探提到有如下的疑點，第一，耳塞的顏色不對，凶手讓西條聞了乙醚後，讓他暈倒，在換下泳裝的同時，凶手將自己的耳塞放到了西條的耳中。第二，泳帽，跳水台的邊緣沒有血跡和毛發，也沒有打斗的痕跡。目暮警官也明白過來，「難道凶手是為了掩飾這些才讓他戴上泳帽的？」「完全正確，這一切都是為了讓游泳池邊發生的罪行，看起來像是在高台跳水練習當中所發生意外的一種偽裝行為罷了。」然後凶手月兌下西條的衣服，放進西條的櫃子里面，所以櫃子沒有上鎖。
目暮警官抱怨自己到處都找不到相關的證據，還有目擊者的證詞要怎麼解釋。千鈞站過來大聲說道，「那位目擊老人每天都會在固定時間到陽台上觀看體育館的跳水情況。」小五郎繼續推理，「歸納起來，他目擊到的一切都不是偶然的，是某人的刻意安排。」目暮警官糊涂了，「死者故意跳水失敗，讓老人看見，難道他是自殺的嗎？」小五郎好笑，「如果這樣，他為什麼要把燈全關掉呢？這分明是蓄意讓游泳池視線不明。」小蘭奇怪為什麼要把燈關掉呢，由美明白過來，「模黑跳水，因為他不想讓人看到自己的臉。」直子也笑了，「原來是李代桃僵之計。」
大家都恍然大悟，目暮警官終于轉過彎來，「原來如此，目擊者看到的不是死者，其實另有其人。」小雅也道，「這麼說的話，這個冒充死者跳水的人就是真正的凶手了。」大家都震驚了，全都看向成瀨圭一和木島久二人，二人都否認不是自己。小五郎開口，「木島先生，你以前曾經是跳水的代表選手，現在已經轉到競泳項目了吧。你的代表權被搶走之後，對西條一定懷恨在心吧。競泳項目一定要戴上泳帽才行的，你為了不留下痕跡，才下意識把自己的泳帽為西條選手戴上的吧。因為你忘了，跳水是不需要戴上泳帽的。」
大家都明白了凶手就是木島久，他把西條殺死後做出這些偽裝。木島久垂死掙扎，認為這只是毛利偵探的推理，必須拿出證據來才行。小蘭提到泳帽上應該有木島的指紋，目暮警官搖頭，「已經檢查過了，沒有發現任何指紋，應該在這之前泳帽被清洗過。」木島露出得意的笑容，千鈞大喊，「靜楊，你把我拿回的那幅畫，給目暮警官和大家看看。」小五郎嘆息，「等你們看完後，一切就真相大白了，那是柯南和千鈞向那位目擊老人借來的鐵證。」
目暮警官將畫作外的包裝打開，大家一起欣賞《月光下的跳躍》，那位老人在今天晚上看完跳水後畫得一幅素描。「請你們仔細看看，凶手雖然故意把燈關掉，在這里跳水讓目擊者看到，但是月光下卻發射出一項決定性證據，而這位老人也忠實地將其畫了下來。」幾個女孩都發現了，「耳環和反射的光芒。」目暮也明白了，木島大驚失色，「怎麼會？」毛利偵探認為凶手是內部人員，由于時間不夠，凶器應該還沒有丟掉，應該還藏在這個體育館中的某個地方。
木島久抵賴不過，不得不承認了罪行。西條直也靠作弊打敗了木島久，搶走代表權，因為半年前木島騎摩托帶著女友飆車出了車禍，女友也因此重傷入院，西條知道後就以此為由向負責人和委員會告發了木島，讓木島不得不退出跳水運動。毛利偵探嘆息，「你這次的疏忽就在于你跳水的時候，太完美無缺了，才露出了馬腳。」木島認為跳水是自己一生中最重要的追求，沒有辦法故意裝出失去平衡的動作來，「因為我的驕傲不允許我這麼做。」
在那之後，警方從辦公室的垃圾桶找到了著名的凶器——板磚。木島就是用它來打擊西條頭部的，水泥磚上也發現了木島的指紋。目暮警官向毛利偵探表示感謝後，邀他改日到警局做詳細筆錄，就押著木島久離開了。小蘭她們幾個發現小五郎還在高台上，小蘭就大喊，「爸爸，你在干什麼啊？我們該回去了。」柯南大驚，「我把大叔忘在上面了！」急忙從下面沿著樓梯向上跑去。千鈞也大驚，「不好，毛利叔叔有恐高癥。」也隨後急忙奔上去。
小五郎打了個哈欠，醒了過來，「睡得真舒服啊！」然後搖晃著站起來。千鈞急忙大喊，「別向下看啊！」小五郎疑惑一瞅，好高啊，嚇得臉都綠了，「我怎麼會跑到這個地方！」眼前一黑就向下栽倒，匆匆趕到的柯南大驚失色，「等一等！」急忙上前拽住大叔的腿，可惜力量太小了，反而帶著柯南一起向下栽去。千鈞及時趕到，奮力將二人拽住，險險地將二人拉回到高台上，所有人都嚇出一身冷汗。
尾聲，木島久因殺害西條直也，被法庭判處5年徒刑。毛利小五郎因破獲體育俱樂部殺人事件，警視廳給以b級獎勵。當天回到家後，小五郎驚魂未定，想起自己追柯南跑到了高台上，大為憤怒，再次痛扁了柯南。小蘭埋怨父親對柯南老是這麼暴力。千鈞他們5人回到家後，發現已經凌晨1點了，四女都困的睜不開眼了，就一起到千鈞房里安睡。直至天亮，也沒發生千鈞期待很久的香艷事件。千鈞自我安慰，以後有的是機會，昨夜大家都太困了，對女孩來說為了保持容貌，沒有什麼比充足的睡眠更重要了。