柯南、小兰、园子与世良真纯因偶然机会前往长野县，途中听闻“赤女传说”，并受当地青年中道和志邀请，前往传说中赤女自杀的森林小屋探险。同行者还有中道的朋友牛込嗣夫、曾调查过赤女传说的记者佐伯郁子，以及自称寻找失踪同伴的河名澄香。
进入森林后，诡异事件接连发生：牛込嗣夫深夜在小屋附近遭“赤女”袭击，手臂被划伤；中道和志突然失踪，现场只留下一件沾血的红色外套；次日清晨，佐伯郁子被发现死于小屋内，手中紧握着一把沾血的菜刀，身旁散落着撕碎的红色布料。
警方介入调查，大和敢助与上原由衣警官结合现场线索展开推理，而柯南与世良则敏锐地捕捉到细节：佐伯郁子的死亡现场虽有血迹，但出血量与伤口不符，且其指甲缝中残留的纤维并非来自自身衣物；中道失踪时留下的红色外套沾血位置刻意，更像是人为布置的“障眼法”；河名澄香声称寻找同伴，却对森林路径异常熟悉，且随身携带的相机里藏有多年前的照片。
随着调查深入，“赤女”传说的真相逐渐浮出水面：所谓“赤女”并非鬼怪，而是不同人因不同目的扮演的形象。 decades前自杀的红衣女子确有其人，她因情感纠纷在小屋中自尽，成为传说的起源。而近期的“赤女”则与多年前的一桩悬案有关——河名澄香的姐姐当年在森林中被佐伯郁子、中道和志、牛込嗣夫等人意外害死，三人因害怕承担责任，伪造现场并谎称是“赤女作祟”。
河名澄香为替姐姐复仇，多年来暗中调查，并用红衣装扮制造“赤女再现”的假象，吓退牛込嗣夫，引中道和志到小屋对峙。佐伯郁子因想揭露真相反被中道和志灭口，中道则在逃跑时失足坠崖。最终，柯南通过红衣外套的血迹分布、佐伯郁子手中菜刀的握法等线索，揭穿了中道和志的罪行，河名澄香也因策划复仇被警方带走。 案件落幕，“赤女”传说的恐怖面纱被揭开，留下的却是人性中贪婪与复仇的沉重阴影。这起惨剧印证了柯南常说的：“真相永远只有一个”，而比鬼怪更可怕的，往往是人心。