ロンドン編の発端は、喫茶ポアロで小五郎がイギリスの裕福な貴族女性ダイアナと知り合い、ロンドンへ招待されたことでした。本来、戸籍上存在しない江戸川コナンは海外渡航に必要なパスポートを取得できません。しかし、灰原哀から往復用としてAPTX4869解毒薬を2粒（行き用と帰り用）渡されたことで、密かに工藤新一の姿に戻って出国審査を通過し、現地へ乗り込むことに成功します。
憧れのホームズの聖地・ベーカー街221Bを訪れたコナンは、ウィンブルドン出場を控える世界的テニスプレイヤー、ミネルバ・グラスの弟であるアポロ少年と出会います。アポロは見知らぬ男から「ロンドン中で大量の人が死ぬ」と告げられ、謎の暗号文を手渡されていました。暗号の主は、かつて親友の手術代を用立てられず、病院や世間を逆恨みして連続爆破を繰り返す凶悪犯ハーデス・サバラでした。
コナン、蘭、小五郎はロンドン市内を奔走し暗号解読を進めます。しかしその最中、日本にいるはずの新一がなぜかロンドン特有のビッグベンの鐘の音に気づいたことで、電話の相手がすぐ近くにいることを蘭に悟られてしまいます。公衆電話ボックスに追い詰められたコナンは、正体発覚を回避するために帰り用の解毒薬を前倒しで服用し、新一として蘭の前に姿を現さざるを得なくなりました。
事件はセンターコートを舞台にした緊迫のテニスマッチへと発展します。ミネルバが母の命を人質に取られ絶望する中、客席からコナンが叫んだ「芝の女王」への檄によって局面が反転。見事に爆弾魔ハーデスを逮捕へ追い込みます。そして物語のラスト、新一が蘭へと向けた感情の決壊が、ロンドンの夕景の中で訪れます。
