Conan, les Detective Boys, Ran, Kogorô, le professeur Agasa et Ai embarquent dans le train du mystère, train à bord duquel va se dérouler un jeu d’enquête mettant à contribution les passagers. En parallèle, Ai se retrouve ciblée par l’Organisation des hommes en noir…

Détective Conan : L'Histoire d'Ai Haibara - Le Mystère du Train Noir compile les événements de l'arc "Mystery Train" (épisodes 701 à 704). Une scène inédite sert de transition vers le 26e film de la franchise : Le Sous-Marin Noir.