Detektiv Conan erzählt in lose zusammenhängenden Kurzgeschichten die Abenteuer des 17-jährigen Oberschülers und brillanten Hobbydetektivs Shin’ichi Kudō, der bei Untersuchungen zu einem Fall von zwei Männern in Schwarz niedergeschlagen wird. Sie verabreichen ihm eine Kapsel mit dem Zellgift APTX 4869, welches ihn töten soll. Stattdessen führt es aber zu einer Verjüngung seines Körpers um etwa zehn Jahre.
Seiner Größe und seiner Kraft, nicht jedoch seiner Intelligenz und seines Scharfsinns beraubt, wendet sich Shin’ichi an seinen Freund und Nachbarn Professor Agasa, der ihm in schwierigen Zeiten hilfreich zur Seite steht und ihn im Lauf der Serie mit immer neuen technischen Spielereien versorgt, wie etwa einem als Fliege getarnten Stimmenwandler, mit dem er die Stimmen anderer Personen täuschend echt nachahmen kann.
Als Shin’ichis Sandkastenfreundin Ran Mōri auf der Suche nach ihm den Professor besucht, fällt ihr sofort der kleine, unbekannte Junge auf. Um seine wahre Identität geheim zu halten, ist Shin’ichi gezwungen, sich spontan einen neuen Namen auszudenken. Beim Anblick zweier Krimis nennt er sich Conan Edogawa – nach dem britischen Schriftsteller Arthur Conan Doyle und dem japanischen Krimiautor Edogawa Rampo.
Conan zieht zu Ran und ihrem Vater, dem erfolglosen Privatdetektiv Kogorō Mōri, in der Hoffnung, mehr Informationen über die Männer in Schwarz, ihre Organisation und das Gift zu bekommen. Sein Ziel ist die Zerschlagung der Organisation und das Erlangen alter Größe durch ein Gegengift. Von nun an bemüht er sich, Mori bei der Lösung von dessen Fällen unauffällig zu unterstützen – oder die Rätsel am besten gleich selbst zu knacken, allerdings ohne seine wahre Identität zu verraten.
Dies gestaltet sich manchmal schwieriger als es auf den ersten Blick erscheinen mag. Oft muss er Ran, die hin und wieder Verdacht schöpft, belügen, um sein Geheimnis zu wahren und sie und auch sich selbst vor der Organisation zu schützen. Allerdings sind Ran und Shin’ichi ineinander verliebt, was Conan manchmal fast aufliegen lässt. Außerdem muss er sich nun seinem äußerlichen Alter entsprechend wie ein kleines Kind verhalten und zu seinem Leidwesen auch wieder die Grundschule besuchen. Dort gründet er mit seinen Mitschülern Ayumi Yoshida, Genta Kojima und Mitsuhiko Tsuburaya die Detective Boys, mit denen er auch nicht selten knifflige Fälle löst.
Im Laufe der Handlung bekommt Conan Hilfe von Shiho Miyano, genannt Sherry, die das Gift entwickelte und nach dem Tod ihrer Schwester die Mitarbeit in der Organisation verweigerte. Um der Strafe zu entgehen, nahm sie ihr eigenes Gift und wurde ebenfalls wieder zum Kind. Unter dem Namen Ai Haibara wohnt sie seither bei Professor Agasa, besucht Conans Klasse und wird Mitglied der Detective Boys. Auch der Schülerdetektiv Heiji Hattori aus Osaka kommt hinter Shin’ichis Geheimnis, behält dies aber für sich.
