劇場版電影《名偵探柯南：純黑的噩夢》的劇情主要圍繞以下幾部分展開：
間諜的襲擊。一名間諜潛入日本警察機關，試圖盜取一份包含英國「MI6」、德國「BDN」、美國「CIA」以及「FBI」等各國諜報機構相關人員名單的機密檔案。在安室透率領的日本公安趕到後，間諜奪車逃跑，並在高速公路上與公安上演了激烈追逐戰。最終，間諜的車被FBI赤井秀一用復槍射中，從公路墜下懸崖。
柯南與失憶女子的相遇。第二天，柯南和其他人物來到東都水族館遊玩時，發現了一位獨自一人又負傷的漂亮女子，這位女子擁有「陰陽眼」（兩隻眼睛瞳孔顏色不同），並且處於失憶狀態，連自己的名字都不記得。柯南等人決定幫助她找回記憶，並同行一段時間。
黑衣組織的介入。這位失憶女子實際上是黑衣組織中的成員，代號「庫拉索」。她的任務是盜取各國諜報機構的名單。黑衣組織的貝爾摩德發現了她的行蹤，並決定將她帶走。同時，黑衣組織開始在世界範圍內對警方臥底進行報復。
追逐與營救。在追逐戰中，安室透和基爾被黑衣組織逮捕。柯南和朋友們在遊樂場和水族館的冒險中，不斷遇到危險情況。他們試圖營救被黑衣組織追殺的基爾，並揭露了更多關於黑衣組織的秘密。
整個劇情充滿了動作、懸疑和驚險元素，展現了柯南和他的朋友們如何利用智慧和勇氣面對挑戰。