在青梅竹马小兰（忽那汐里 饰）的鼓动下，工藤新一（溝端淳平 饰）半推半就乘上飞往京都的飞机，去观摩正在那里拍摄时代剧的毛利小五郎（陈内孝则 饰）的表演。飞行途中，名叫大鹰和洋（波冈一喜 饰）的摄影师陈尸洗手间，引起乘务组的恐慌。工藤新一就在1万英尺的高空展开推理。好不容易来到京都摄影所，针对男主角樱庭（中村俊介 饰）的谋杀预告传来，不久更有一名女演员遇害。新一和对手服部平次（松坂桃李 饰）展开竞技般的推理……本片根据青山冈昌的同名人气漫画改编。

1960年代，一列满载各界旅客的502次火车徐徐开往江城。列车乘务组由十三个年轻姑娘组成，共产党员裴兰英（卢桂兰饰）是列车长。入夜，骤起狂风，往火车站赶车的解放军某部林营长（盛林中饰），发现一棵被风刮倒的大树横卧在铁轨上，他搬了几次，大树纹丝不动，却被飞来的石块击中头部，他昏迷过去。502次眼看开过来了，苏醒过来的林营长顽强地站在路基上，用手电筒发出紧急停车信号。列车停稳，他被抬上列车，经医生检查发现，他伤势严重，需尽快手术。裴兰英紧急请示铁路局，要求将502次列车改为“特快列车”，抢救林营长的生命。