とある戦後。両親を失くした令嬢、美甘千津子（チコ）は、その資産を狙われて叔母夫婦から毒入りの食事を与えられ続けていた。そんな地獄の日々を過ごすチコの前に、世間を騒がす怪盗、二十面相が現れる！とある戦後。両親を失くした令嬢、美甘千津子（チコ）は、その資産を狙われて叔母夫婦から毒入りの食事を与えられ続けていた。そんな地獄の日々を過ごすチコの前に、世間を騒がす怪盗、二十面相が現れる！

二十面相一味の中で、居場所を見つけようと働くチコ。一方、二十面相は盗品をあるべき場所へ戻す、という行為を繰り返していた。そんな折、二十面相はとある計画を実行するために、南仏の海辺の町へやってくる！

すっかり二十面相一味に馴染んだチコ。ケンや船長など仲間たちにも認められ、楽しい日々を過ごしていた。そんなある日、二十面相からサファイア奪取計画が告げられ、作戦に志願したチコの初仕事が始まる！

お祭りに沸くトーランの町。二十面相一味はサーカス一座として町の中へ紛れ込んでいた。チコはサーカスの花形、リリィとして大活躍。そんな中、町の博物館でアンジーという名の少女と出会う！

見事「三賢者の時計」を盗み果せ、二十面相一味はトーランをあとにする。しかしチコは、アンジーを裏切ってしまったことに後ろめたさを感じていた。雪のちらつくホーム、チコと二十面相たちを乗せた列車が走り出す！

再び日本の地を踏んだチコ。事故のショックから癒えぬまま、淑恵の勧める毒入りスープを口に運び続けていた。お手伝いであるトメの心配も届かない。そんなある日、チコのもとへ明智と名乗る青年が姿を現す！

チコの実父の親友、源治からの紹介を受け、チコと空根は製薬会社社長の清波に会う。清波は失踪した若き二人の研究員の捜索を依頼。大戦の暗部を知るという二人に、チコは二十面相の手がかりを求めて近づいてゆく！

春華の家へ遊びに行くチコ。そこで春華が見せたのは、かつて天海座という劇場で活躍した、浪川小平次という役者の写真だった。彼こそが二十面相の正体だと言う春華。その正体を確かめるため、二人は天海座へ向かう！

二十面相の手がかりを追って、白髪島と呼ばれる孤島へやってきたチコ。しかし殺人事件が起こり、手がかりであった宝石が消える。そんな中、ケンと再会して胸躍らせるチコであったが、ケンは心を閉ざしたままで…！

夏、チコはトメと一緒に春華の別荘へ訪れた。水着に着替え、浜辺で楽しい一時を過ごす三人。すると春華が、自分とそっくりな少女とすれ違ったと告げる。気のせいだと諭すチコとトメだが、春華には秘密があった！

チコの周りの人々が、次々と白髪鬼の手に落ちてゆく。危険を感じ、家を飛び出したチコであったが、無情な雨がチコの体を打ちつける。白髪鬼に誘われるがままに向かう先には、見覚えのある孤島が浮かんでいた…！

チコの二十面相との一瞬の再会は、白髪鬼の術により不幸な結果に終わった。再び白髪鬼に連れ去られるチコ。一方、二十面相とケンもモーターボートでチコを追いかける。だが、その行く手には巨大な飛行船が迫る！

二十面相を追って飛び降りようとするチコを必死に止めるケン。飛行船を無事着陸させ、生き残ってこそ、再び二十面相に会うことができると説得する。一方、美甘家では、ついにトメが淑恵に反旗を翻していた！

淑恵のもとを離れ、二人での新しい生活を始めたチコとトメ。チコは春華との友情を壊してしまったと落ち込んでいた。だが、気にする風もなくチコを訪ねてきた春華は、少女探偵団の再会を祝して、高らかに紅茶をかかげる！

淑恵の企みから解放され、平和な日常を取り戻したチコ。学友たちとの他愛ない時間に満足しつつも、二十面相たちと過ごした日々を思い起こしていた。そんなある日、チコは丘の上で穏やかな佇まいの老人と出会う！

二十面相に少しでも近づくため、教授の誘いに乗るチコ。そんなチコのあとを追うケンを、何者かが襲撃する。戦時中に掘られた地下へチコをいざなう教授。その道すがら、教授は二十面相との過去を語り始める！

教授の前に姿を現した二十面相。実験を止めなければ装置を爆破する、と迫る。一方、春華を救出に向かったチコは、背後からQに襲われる。再び膠着状態に包まれた現場で、二十面相の奇策が放たれる！

地下施設の爆発によって、傷を負った二十面相。心配して駆け寄るチコを尻目に、教授一味は研究を完成させるべく塔へと向かって行った。直後、明智率いる警官隊が現場にたどり着くが、すでに二十面相は姿を消していた！

暴徒たちから逃れ、ケンの操縦する飛行船につかまって、空から塔へ向かうチコ。が、飛行船はMにより攻撃を受ける。一方、塔の内部で教授と対峙する二十面相。その手に握られた拳銃が、教授に向かって火を噴く！

ついに水の第四形態が発動してしまう。愉悦の表情で光を見つめる教授。為すすべなく肩を落とす二十面相。チコにこの場から逃げるよう告げるが、チコは諦めなかった。最後の希望を胸に、チコは塔の頂上を目指す！

東京に平和が戻った。二十面相は姿を消し、チコは英国へと旅立っていった。すべては収束し、時とともに忘れ去られてゆくはずであった。事件から幾年かが過ぎたある日、一人の少女が英国の地に颯爽と降り立つ！