Mendengar kabar mengenai pergerakan kelompok penjahat Black Organization dari rekannya bernama Subaru Okiya, Conan pergi ke Pacific Buoy untuk menyelidiki kabar tersebut. Tanpa disadari oleh Interpol, Black Organization mengincar teknologi All-Age Recognition yang ada pada Pacific Buoy.
Upaya merebut All-Age Recognition dimulai dengan meretas jaringan kamera pengawas Pacific Buoy dari dalam sistem dengan memanfaatkan seorang agen yang disusupkan ke fasilitas tersebut.
Setelah itu Black Organization mengutus agen lainnya menginfiltrasi Pacific Buoy untuk menculik seorang teknisi bernama Naomi Argento dan membawanya ke sebuah kapal selam. Di malam yang sama, teman Conan bernama Ai Haibara juga diculik karena mereka menyadari bahwa Ai merupakan sosok Shiho Miyano, mantan ilmuwan Black Organization yang tubuhnya menyusut menjadi anak kecil.
Oleh karena itu, Conan harus menghadapi Black Organization yang telah menculik Naomi dan Ai serta berusaha mencari tahu dalang di balik peretasan sistem keamanan Pacific Buoy.
Layaknya alur khas dalam serial "Detective Conan", film "Detective Conan: Black Iron Submarine" menyuguhkan sebuah kasus dengan segudang misteri dan petunjuk yang akan mengarah menuju konklusi dari kasus tersebut.
