在东京市立博物馆即将展出的“龙马宝物”特展前夜，一封神秘的预告信悄然送达。信封上印有怪盗基德标志性的笑脸图案，信中写道：“当月光洒满龙马之剑时，我将取走历史的瑰宝。”这立刻引起了警方的紧张，而少年侦探工藤新一以江户川柯南的身份行动也受邀参与宝物保护行动。龙马宝物据传是日本明治维新时代英雄坂本龙马的佩剑，被认为藏有失踪国宝的线索，其价值连城，吸引了数收藏家和盗贼的目光。
展览开幕当天，博物馆戒备森严，中森银三警部亲自坐镇，但柯南却从预告信的措辞中嗅到了一丝不寻常。他推测基德可能会利用月光折射的原理制造混乱。果然，在夜幕降临时，博物馆的电力系统突然中断，仅剩月光透过天窗照亮展台。一道白色身影轻盈地出现在屋顶——怪盗基德身着标志性白色礼服，手持扑克牌枪，向宝物逼近。观众们惊呼声中，柯南迅速启动麻醉针手表，却因基德的烟雾弹而失手。
基德轻松突破警方的防线，接近龙马之剑。然而，柯南早已通过推理发现宝物暗藏玄机：真正的龙马宝物并非那把剑，而是剑柄中隐藏的一枚微型胶卷，记录了龙马的秘密日记。在基德触碰到剑的瞬间，柯南用增强鞋踢出一颗足球，击中了展台的机关，剑柄自动弹开，胶卷落入柯南手中。基德见状，不仅未显慌乱，反而大笑着揭示了自己的真实目的：“我并非为财富而来，而是为了揭露这段被掩盖的历史。”原来，基德此次行动是为了阻止一个跨国犯罪集团利用宝物进行非法交易。
剧情随之进入高潮。基德与柯南在博物馆屋顶展开对峙，月光下两人斗智斗勇。基德利用魔术手法制造幻象，试图夺回胶卷，但柯南通过敏锐观察，发现基德的伪装漏洞，指出他其实是扮演了博物馆馆长助手的人员。在关键时刻，柯南揭露了犯罪集团的阴谋：他们计划伪造宝物并嫁祸给基德，以便在黑市牟利。基德配合柯南，将计就计，用假胶卷引出了集团头目。
最终，警方成功逮捕了犯罪集团成员，龙马宝物的真相得以保全。基德在混乱中化作白鸽消失，留下那句经典台词：“魔术师的秘密，就让它随风而去吧。”柯南默默收好胶卷，意识到这场攻防战不仅是宝物的争夺，更是正义与谎言的较量。龙马宝物的历史价值被公开，展览继续举行，而柯南与基德的交锋再次成为传奇。整个事件在月光中落幕，留给观众尽的回味。