《名侦探柯南：纯黑的恶梦》漆黑的夜晚，一名间谍悄然潜入日本警方某机构，盗走了记载着各国谍报机构重要数据的绝密文件的绝密数据。日本警方和FBI探员赤井秀一（池田秀一配音）旋即与间谍展开追逐。最后，逃亡者的车辆坠落悬崖。第二天，柯南（高山南配音）和伙伴们来到东都水族馆观光，结果发现一名受伤的时髦女子（天海佑希配音）。该女子处于失忆状态，身上的手机也破损无法使用。柯南等人答应要帮她恢复记忆，当他们七嘴八舌之际，藏在暗处的黑衣组织成员贝尔摩德（小山茉美配音）冷冷地注视着这十足。在相处过程中，女子非凡的身手和奇怪的言行举止让灰原哀（林原惠美配音）对其真实身份产生怀疑。刚刚还一派祥和的水族馆，沉浸在快乐之中的人们，根本会想到随着那名神秘女子技艺的恢复，自己马上就要被卷入暗淡组织的屠戮和凌乱之中……