ある日の早朝、京都・東山のある屋敷で、百人一首の団体「皐月会（さつきかい）」の会員である矢島俊弥が昨年の皐月杯の映像を見ながら百人一首の札を並べていた。彼は何かに気付いてほくそ笑むが、直後に屋敷に侵入してきた何者かに日本刀で撲殺されてしまい、部屋に散らばった無数の百人一首の札に、彼の血が大量に飛び散った。同日の午後、コナンと蘭、少年探偵団一行は、皐月会の会長である阿知波研介との対談を行う小五郎に同行し、皐月会が主催する大会「高校生皐月杯」が行われる日売テレビを訪れた。そこでコナンたちは、服部平次や遠山和葉と合流し、彼らと同じ改方学園の大会出場者である枚本未来子に出会う。大会のリハーサル収録を見学し終えて控え室に向かう途中で、百人一首の高校生チャンピオンの大岡紅葉と対面したコナンたちは、彼女が平次を見るなり「会えるんやないかと思てました。ウチの未来の旦那さんに…」と涙を浮かべながら呟いたことに驚く。そのころ、大阪府警に「日売テレビを爆破する」との爆破予告のメールが届き、服部平蔵・遠山銀司郎・大滝悟郎らが対応を協議していた。爆破予告のメールには百人一首の札の画像が添付されており、「悪質なイタズラ」ではないかとも考えられていたが、「イタズラやなかったら大事やぞ」と危惧する平蔵の意向により、日売テレビに避難要請を出す。要請を受けた日売テレビは、爆破予告の件を周囲に知られないようにしつつ、ビル内にいる全員に避難を呼び掛ける。突然の避難勧告発令に疑問を抱きながらも、コナンと少年探偵団、蘭と小五郎は外へ避難する。平次と和葉も避難を開始するが、未来子がスタジオに残されていた決勝戦用の百人一首の札を取りに戻ったため、彼女を追って引き返す。しかし、平次らがまだビル内にいる間に突如大規模な爆発が起こる。平次らを見失った未来子は警備員とともに無事外に避難したが、その直後に2回目の大爆発が起こり、平次と和葉は崩壊するビル内に取り残されてしまう。それに気付いたコナンは、万が一の時のために用意していたスケートボードで2人の元へ向かい、コナンの手助けの下、平次は和葉を抱きかかえながらビルから降りて間一髪助かる。爆破予告が実行された場合に備えていた警察と消防の迅速な対応もあり、テレビ局爆破による死者は1人も出ず、百人一首の札も無傷で済んだ。しかし、その札を守ろうとした未来子は腕を骨折してしまい、大会を辞退せざるを得なくなる。未来子は和葉に自分の代わりに皐月杯に出場するよう説得するが、直後に和葉は紅葉から皐月杯で勝ったほうが平次に告白する権利を得るという挑戦状を叩きつけられ、平次を取られたくない和葉は、紅葉の挑戦を受けて立つと宣言する。和葉はその夜からかるたの猛特訓を行い、平次の依頼で駆け付けた平次の母で元クイーンの服部静華に師事し、徹底的にかるたの腕を磨いていく。ほどなくして「矢島俊弥が何者かに殺害された」という知らせが阿知波の元に届き、小五郎は彼と共にパトカーで京都の現場に駆けつける。コナンも平次と共にバイクで現場へ向かい、小五郎達よりも前に現場へ到着していた京都府警の綾小路文麿の案内で、遺体が発見された部屋へ通される。そこでコナンたちは、矢島の血痕が付着した大量のかるた札が散乱している様子を目撃する。平次とコナンは、綾小路の許可を得て簡単な現場検証を始め、矢島の手の血痕から彼が散乱しているかるた札の一枚を持っていたことを突き止め、コナンは現場の写真を灰原に送り矢島がどの札を持っていたのかの解析を依頼する。次に、2人はテレビのリモコンに付着した血痕から、矢島が殺される直前にテレビで何かを見ていたと踏み、テレビの電源を入れるとそこには紅葉の姿が映し出されていた。この後、小五郎によって強制的に外へ出された2人は、現場に到着したばかりの関根康史を見つけ、関根と阿知波らの会話を聞いていた平次とコナンは、ある違和感に気付く。テレビ局の爆破事件も矢島の殺害も「皐月会」を狙っていることから、コナンは阿知波を、平次は後から来た綾小路警部と共に紅葉を見張る。翌日、矢島邸での言動に疑問を抱いた平次とコナンは、関根が矢島の殺害犯ではないかと睨み問い詰めるが、関根はそれを否定し皐月杯のリハーサルのために阿知波や紅葉とともに3人それぞれ別々の車で阿知波会館に向かうことになる。しかし、車列が走り出した直後に何者かに爆破され、阿知波と紅葉は無事だったが、爆弾が仕掛けられていた車に乗っていた関根が重傷を負い、意識不明の状態となる。大阪府警では阿知波に対する聴取が行われ、そこで皐月会に恨みを持つ人物として、かつて存在した百人一首の団体・名頃会のリーダーであった名頃鹿雄が浮上する。名頃は5年前に皐月会に挑戦状を叩きつけたが、その試合を放棄して以降は消息不明となっていた。日売テレビを含めて、これまでの被害者には名頃の得意札が添付されたメールが送られていることから、捜査本部は名頃を容疑者として捜査を進める。そして、この場で平次は紅葉にも名頃の得意札の添付されたメールが送られていることを電話で聞いて忠告するが、聞き入れられず大阪府警は紅葉の警備体制を強化する。捜査会議が終わり、大阪府警から出てきたコナンと平次は阿知波に5年前、一体何があったのかを問い詰める。意を決した阿知波は、コナンと平次に自分の部屋に来るように告げる。大阪観光を終えた蘭は、紅葉がいる病院にパスケースを届けに行き、待合室にいた紅葉を見つけて声をかける。この時、蘭に平次と指切りをしている写真について問われた紅葉は、『瀬を早み』の句を詠み、幼いころに平次と結婚の約束を交わしたことを告白し、蘭は答えに詰まってしまう。一方、阿知波はホテルに戻ったコナンと平次に、名頃が5年前の試合前日に皐月の家を訪ね、皐月にかるた勝負を挑み皐月が勝利したことを話す。しかしコナンは、皐月の試合がある日は必ず洗車をするという阿知波の車が、5年前の試合当日には汚いままだったことに違和感を覚える。その夜、平次は和葉を手伝おうと部屋に行った時、蘭から小学生の時のかるた大会で負かした女の子の事を聞かれ、ようやくそれが紅葉だと思い出し、和葉に伝える。その後、阿知波会館では大阪府警と京都府警による厳重な警備体制の下で皐月杯が開催されるが、関根が意識を取り戻したとの連絡が入り大阪府警が警備を離脱する。和葉と紅葉が順調にトーナメントを勝ち進み決勝の行われる皐月堂へ阿知波と共に向かうが、ほぼ時を同じくして敷地内の倉庫が爆発する。コナンと平次は現場へ向かい、綾小路から名頃が誤爆した可能性を伝えられるが、コナンは海江田藤伍の着けていた大きな指輪が付近の木に刺さっているのを発見する。このことからコナンと平次は、海江田がこれまでの事件の実行犯であり、真犯人によって名頃が死んだように見せかけて殺害されたと推理する。そして、阿知波にも名頃の得意札の添付されたメールが送られていることと、和葉の携帯電話にも名頃の得意札の添付されたメールが送られていたことを綾小路から聞いた途端、平次は血相を変えてコナンをバイクに乗せ皐月堂に向かう。平次とコナンは、皐月堂が最後の爆破の標的であることに気付くが、既に爆発し炎上していた。皐月堂では、阿知波を読手（どくしゅ）として和葉と紅葉による決勝戦が行われていた。2人の試合は熾烈を極め、運命戦にまでもつれ込む。読み札が読まれ2人が札を取ろうとした瞬間、バイクに乗った平次とコナンが皐月堂に飛び込んで来て、和葉と紅葉はここで初めて皐月堂が炎上していることを知る。皐月堂の火はボール射出ベルトのボールを使ったコナンの機転により鎮火するが、この状況に疑念を抱いた紅葉が平次を問い質し、海江田が会場に入れるようにシステムを変更できるのは阿知波しかいないため、平次は阿知波に話を促す。コナンは決勝戦用の百人一首の札を調べられると困るのではないかと阿知波に問い、札の側面に付いた黒ずみは名頃の血液で名頃を殺害した犯人の指紋ではないかと指摘する。これに観念した阿知波は、5年前の試合前日の阿知波邸での前哨戦に皐月が負け、恥を晒さないように自身の手で名頃を殺したことを自白する。これを聞いて平次とコナンは札を証拠に自首するよう勧めるが、阿知波は札を証拠にすることだけは拒否する。この様子を見たコナンは、札に付着した指紋は阿知波の物ではなく皐月の物ではないかと気付く。実は5年前の試合前日の阿知波邸での前哨戦には、阿知波の持っていたテープが読手の代わりに使用されており、札の詠まれる順番などを覚えている皐月にとっては圧倒的に有利な条件での試合であったにも関わらず、皐月は名頃に負けてしまい動揺して衝動的に名頃を殺害してしまったのだ。その直後に帰宅した阿知波は偽装工作を施し、翌日の試合本番は皐月の不戦勝となるが、名頃に敗北を喫して殺害してしまったショックと罪悪感から、皐月は2年後に病死を遂げる。この真相を話し終えた阿知波は、皐月堂に仕掛けた爆弾を起爆しようとするが、紅葉は「名頃は初恋の相手である皐月にただ褒められたかっただけ」だと話し、それを聞いた阿知波はショックで腰を抜かしながら爆弾の起爆装置を落とす。その後、今にも崩れそうになっている皐月堂から避難しようと試みるが、平次と和葉を残してエレベーターが落ちてしまう。エレベーターはコナンの伸縮サスペンダーでどうにか止まり、平次は和葉をバイクの後ろに乗せ、先ほど拾った爆弾の起爆装置を使い、爆風を利用して皐月堂から離れた滝壺まで飛び移る。後日、紅葉には負けてしまったものの、自身の得意札である『しのぶれど』は取れたことを、和葉はホテルのエントランスで蘭に報告する。そこへ、平次に告白するために入って来た紅葉は、幼い頃「嫁に取ってやる」と平次に言われたと主張するが、当時を思い出した平次は「（札を）強めに取ってやる」と言ったのだと反論し、紅葉がブライダルカー仕様の車で去っていくところで終幕を迎える。