Miyano Shiho và chị gái của cô Miyano Akemi, đều là thành viên bí mật của Tổ chức Áo Đen. Mẹ cô người Anh tên Miyano Elena và ba cô người Nhật tên Miyano Atsushi, cả hai đều là nhà khoa học làm việc cho Tổ chức Áo đen với một dự án bí mật quan trọng (cho nên Shiho thừa hưởng mái tóc màu hung đỏ của mẹ). Cả hai từng là nhà khoa học phục vụ cho tổ chức và đã qua đời với nguyên nhân không rõ ràng. Là một thần đồng, ngay từ lúc nhỏ, Haibara đã được gửi đi du học ở Mỹ. Năm 13 tuổi, Shiho trở về Nhật và tiếp tục dự án khoa học vẫn còn dang dở của cha cô với bí danh Sherry. Theo lệnh của tổ chức, Haibara đã nghiên cứu ra một loại hợp chất hóa học có tên là APTX 4869, có khả năng giết người mà không để lại dấu vết. Mặc dù tính năng của loại thuốc này vẫn chưa hoàn chỉnh và nó vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, Tổ chức Áo Đen đã quyết định sử dụng loại thuốc này trong một số vụ giết người, và Sherry nắm giữ danh sách những nạn nhân của APTX 4869, trong đó có Kudo Shinichi. Vì nghi ngờ tổ chức Áo Đen dính líu đến cái chết của chị gái mình là Miyano Akemi (người luôn tìm mọi cách giải thoát cho mình và em gái thoát khỏi tổ chức Áo Đen nhưng cuối cũng đã bị Tổ chức sát hái), Sherry từ chối tiếp tục hợp tác và đã bị tổ chức bắt giam. Biết mình không thể thoát khỏi bàn tay của tổ chức giết người này, cô quyết định tự sát bằng chính viên thuốc mà mình đã tạo ra. Tuy nhiên, cô vẫn không chết mà chỉ bị teo nhỏ lại thành một đứa bé 7 tuổi giống như Kudo Shinichi.

Khi bị teo nhỏ, Shiho sử dụng một cái tên mới là Haibara Ai. Với hình dạng mới, Haibara trốn thoát khỏi tổ chức Áo Đen và gặp được Tiến sĩ Agasa Hiroshi, người nhận nuôi cô sau này. Hiện tại, Haibara đang theo học tại trường tiểu học Teitan, cùng với Edogawa Conan/Kudo Shinichi, Yoshida Ayumi, Tsuburaya Mitsuhiko và Kojima Genta. Trong truyện, Haibara đã tìm đến nhà của Shinichi một vài lần cùng theo lệnh của Tổ chức để xác nhận cái chết của Shinichi. Lần thứ hai khi quay trở lại, cô đã đặc biệt chú ý đến một vài bộ quần áo hồi còn nhỏ của Shinichi đã bị mất và cô thật sự ngạc nhiên khi biết chuyện gì đang xảy ra, mặc dù trước đây thí nghiệm trên cơ thể chuột đã xảy ra trường hợp này. Haibara đã xác nhận với tổ chức rằng Shinichi Kudo thật sự đã chết. Sau khi bị teo nhỏ, cô chạy trốn đến nhà của Shinichi để tìm cậu, nhưng ngã gục trước cửa nhà của Tiến sĩ Agasa.

Sau khi trốn thoát khỏi tổ chức, tổ chức đã cử người săn lùng và tiêu diệt Sherry, tuy nhiên hầu hết các thành viên trong tổ chức không biết Sherry bị teo nhỏ thành Haibara. Cô đã chạm trán với thành viên của tổ chức 3 lần. Lần thứ nhất tại khách sạn Haido, cô bị Pisco bắt cóc, một thành viên của tổ chức biết gương mặt lúc nhỏ của Sherry và chứng kiến quá trình phát triển APTX 4869 của cô, tuy nhiên Pisco bị Gin sát hại trước khi kịp tiết lộ bí mật cho tổ chức. Sau lần này, Haibara có được dữ liệu để bào chế thuốc giải độc cho APTX 4869. Lần thứ hai, thành viên Vermouth biết được Sherry teo nhỏ thành Haibara và săn lùng cô, nhưng nhờ sự can thiệp của Conan/Shinichi và Ran, Haibara được giải thoát và Vermouth hứa sẽ không làm hại Haibara. Lần thứ ba, trên chuyến tàu Bell Tree Express, Vermouth từ bỏ lời hứa và cùng thành viên Bourbon săn lùng Haibara. Nhờ đồng minh của cô và Kaito Kid can thiệp, Haibara trốn thoát thành công và toàn bộ các thành viên trong tổ chức (trừ Vermouth) tin là Sherry đã chết.

Sau khi trốn thoát khỏi tổ chức, Haibara bắt đầu bào chế thuốc giải APTX 4869, tuy nhiên do toàn bộ dữ liệu liên quan đã bị phá hủy, công việc diễn ra rất khó khăn. Mặc dù vậy, Haibara đã bào chế được thuốc giải tạm thời, giúp cô và Conan trở lại hình dáng cũ trong thời hạn 24 giờ mỗi lần sử dụng. Hiện thuốc giải vĩnh viễn vẫn chưa được bào chế thành công.

Haibara vừa là người biết giữ mặt lạnh, vừa giỏi điều chỉnh cảm xúc, vừa kín đáo và hướng nội (trong toàn bộ series có thể thấy Ai Haibara luôn tỏ ra buồn chán hoặc vô cảm), thường giữ khoảng cách với mọi người và gọi bằng họ. Cô cũng chỉ cho phép bạn cùng tuổi mình gọi cô bằng họ (Haibara-san). Haibara biết rằng Tổ chức đều là quỷ dữ thiếu nhân tính, và cô đã ở bên cạnh lũ quỷ ấy suốt một thời gian dài, rất có thể Haibara bị ám ảnh rằng cô cũng phần nào mang bản tính của quỷ giống như Gin và Vermouth. Cô tự đổ lỗi cho mình vì những cái chết hậu quả của loại thuốc cô chế tạo, dù Haibara cũng không biết nó được dùng như vũ khí giết người nhưng dẫu sao vẫn khiến Haibara rất buồn và ghê tởm. Khó mà tưởng tượng được một người sống trong máu tươi và bùn đen suốt cuộc đời trước đó như Haibara lại có thể dành tình cảm trìu mến và thân thương đến thế cho Ran, Shinichi và lũ nhóc thám tử, có lẽ đều nhờ vào tấm lòng của Akemi. Haibara luôn tỏ thái độ coi thường và nghi hoặc đối với con người, nhưng lại thích thú với động vật – nhờ có Akemi làm cầu nối với thế giới của những người nhân hậu mà Haibara vẫn giữ được bản tính tốt đẹp của con người dù phải sống từng ngày và được nuôi lớn bởi một trong những Tổ chức tội phạm phi nhân tính hiếm có trong lịch sử nhân loại. Haibara cũng muốn kết bạn, muốn gần gũi và quan tâm đến người khác, nhưng nỗi sợ cố hữu luôn cản trở cô ta làm điều đó một cách tự nhiên nhất. Haibara cảm giác nếu như cô thân với ai thì người đó sẽ gặp tai họa, giống như toàn bộ người thân của cô vậy. Mặc dù vậy, làm bạn với đội thám tử nhí và Conan đã giúp cô sống lạc quan và gần gũi mọi người hơn. Bắt đầu từ tập 39, Haibara đã cho phép Ayumi gọi cô là Ai-chan. Haibara nhận ra rằng cô thực sự thấy vui lòng khi Ayumi gọi như thế. Haibara có khả năng tạo dựng mối quan hệ thân thiết khá nhanh, chỉ là cô sợ mang lại điều rủi cho người giao du với mình mà thôi. Aoyama cho thấy Haibara không thuộc dạng thích thú với ẩm thực và chuyện ăn uống nói chung, và là tuýp ngủ nghỉ thất thường hay còn gọi là “ngủ ngày cày đêm”. Cũng giống như Shinichi, Haibara cũng chịu cơn khủng hoảng thân phận nhưng tất nhiên không biểu hiện rõ nét như người kia. Một chi tiết đáng chú ý là Haibara đánh giá khá tiêu cực về bản thân, cô dễ dàng kể cho Shinichi nghe toàn bộ câu chuyện về những việc làm sai trái của mình trước đây, và luôn tự trách mình vì cái chết của Akemi, về tình trạng hiện giờ của Shinichi và những cái chết vô danh khác. Bằng chứng rõ ràng nhất có lẽ là cái xu hướng chán đời và muốn tự vẫn của cô. Shiho bị teo lại thành Haibara là hậu quả của 1 cuộc tự tử không thành, và đó không phải là lần duy nhất cô muốn chết (ngồi lại trên xe bus có bom và ngồi đợi Vermouth đến giết). Cũng có thể tự Haibara cảm thấy phần tiêu cực này trong con người mình, và đôi khi cố để lại một lời gợi ý dẫu nhỏ nhoi cho người khác để đến cứu mình. Khi Haibara nhìn vào tấm gương trong wc và nói vu vơ với Shinichi rằng cô lúc này không còn tự biết mình là ai nữa, có lẽ đang muốn nghe một lời an ủi rằng cô không phải là ma quỷ giống như Tổ chức đâu, nhưng Shinichi thì khiến Haibara thất vọng khi quay sang lườm và nói “thế cậu nghĩ đó là lỗi của ai mà tôi và cậu phải trong tình trạng này?”. Tuy Shinichi thường vô tâm với con gái, nhưng cậu có nhận ra ý định tự tử của Haibara và luôn đến ngăn chặn cô kịp lúc – nguyên nhân có lẽ tổng hợp từ hai thứ như sau: lương tâm của một thám tử có tài đức (không được để nghi phạm tự kết liễu đời mình vì việc đó ngang bằng với sát nhân) và cảm giác tội lỗi vì không thể cứu sống được Akemi. Haibara gần đây đã sống tích cực hơn nhiều, một phần nhờ Ayumi và Ran, đặc biệt Haibara bị lòng dũng cảm của Ayumi thuyết phục, bằng chứng là cô đã từ chối chương trình bảo vệ nhân chứng của FBI.

Haibara đã sống cởi mở hơn trước nhiều, nhờ hoàn cảnh và những con người tốt bụng nhiệt tình và vô tư chung quanh đặc biệt là Ayumi, Ran và Shinichi. Haibara dần dần tự tin và nhìn bản thân với ánh mắt thân thiện tích cực hơn trước. Cô thuộc dạng sống lí trí, dùng đầu óc giải mã mọi chuyện. Cô cũng biết cách động viên và an ủi bạn bè (Mitsuhiko và Ayumi) và có nhiều bằng chứng cho thấy Haibara đang dần nhường chỗ cho Shiho Miyano. Haibara hồi sinh từ đống tro tàn của Shiho Miyano và sống hạnh phúc trong cuộc đời mới. Nếu tìm ra thuốc giải, nhiều khả năng Haibara cũng không uống mà sẽ tiếp tục sống trong thân phận mới.