美甘千津子是美甘家族的大小姐，在父母去世后由叔叔和婶婶照管。窥伺美甘家族庞大财产的两人在千津子的饭里下了慢性毒药，千津子知道真相却仍然过着孤独的日子，直到有一天怪盗二十面相闯进卧室。二十面相是一名顶级神偷，在盗取物品前，他会给物品持有者寄出一份盗窃预告。二十面相从未失手，也没有人见过他的摸样。二十面相偷走美甘家的祖传宝石，也带走了千津子。

二十面相将千津子带到被二十面相的同伴当做临时避难所的大型战舰。见识过千津子的智慧，了解到她的身世后，千津子被众人接受，成为团队一员，并正式改名为千子。众人搬到新的据点，识破情报员老张的诡计，二十面相将计就计，偷走宝物。逃离时中枪的二十面相一行人被贫民窟的人所救，深信二十面相“对自己看到的事物要进行思考”的千子发现此次救助的阴谋，众人因此顺利回到据点。

千子在据点的生活中，慢慢学会做饭、缝补衣服，逐渐的融入到团队中。二十面相雇佣潜艇潜入到深海探寻宝物。面对大量的财宝，潜艇艇长见财眼开，想要将财宝据为己有，却因不是二十面相等人的对手，反被众人制服。其实二十面相的真正目的是深埋海底的大型飞机，继上次毁掉战舰后，二十面相再一次炸毁飞机。另一方面，千子的婶婶雇佣私家侦探四处寻找千子。

千子加入团队已经一年，在这一年里，千子仿佛海绵一样拼命的学习各种知识，防身术、多国语言、盗窃所需的各种技巧等，最重要的是从二十面相那里得到各种教诲。千子飞快的成长，在得到大家的认同后，千子自己决定参加到一次盗窃宝石的活动中。在众人的配合下，发挥聪明才智的千子成功盗取宝石。而千子的婶婶则在千子叔叔的饭菜中下毒，打算一个人独吞美甘家的财产。

又是一年过去，13岁的千子在大家的教导下快速成长，已经成为二十面相团体里不可缺少一员。这次的任务是盗取博物馆的宝物，众人扮成杂技团来到博物馆所在的小镇上。扮成高空走钢丝的千子在博物馆遇到外表天真的少女安琪，两人很快成为朋友。千子的内心开始动摇，健也被追寻二十面相的怪人“虎”重伤。众人的表演吸引全镇的人都去观看，二十面相等人则乘机盗走博物馆的宝物。

在警察跟随天空中的飞行船时，二十面相等人已经坐在离开小镇的火车上。千子无意中偷听到二十面相想要寻找替身的计划，在回到餐厅的途中遭遇虎等人的攻击。安琪并不是博物馆警卫的女儿，只是借住这个身份靠近千子。与千子争斗的安琪被暴风雪刮走，二十面相团体也损失惨重。为阻止虎炸毁整列火车，二十面相将火车断开，千子看着载着二十面相的火车驶向远方。

千子被乘坐同一辆列车的私人侦探空根带回美甘家族。沉浸在悲伤中的千子又一次被婶婶软禁起来，千子的叔叔早已被婶婶偷偷毒死。侦探明智突然出现在吃早饭的千子身边，听完明智关于二十面相并未死于车祸的分析后，千子振作精神，向婶婶提出进入学校的要求。而社会上开始流传“千子是二十面相遗产的唯一知情者”。

香山望和津矢高志是某研究所的研究员，两人根据大战中暗部的研究资料，用自己的身体做研究，想要完成传说中的实验。因为资料不够完整，实验陷入僵局，津矢高志的身体也开始不受自己控制。传说二十面相就是主管实验的将军，为得到二十面相遗产中的相关研究资料，两人决定绑架千子，却将暗中顶替千子的小系春华绑走。面对尾随而来的警察和千子，津矢高志因暴走导致死亡，香山望则用超能力逃走。

小系春华邀请千子去自己的家游玩，小系春华拿出自己妈妈收集的相册，两人发现着名演员浪川小兵次与二十面相长得很像，而且他高超的模仿技能让两人更加怀疑。于是两人出发前往剧团探寻真相，经过辨认千子确定浪川小兵次并不是二十面相。从灾祸中逃生的健通过报纸再一次找到千子，千子则发现电影中出现二十面相曾让她看过的宝石。于是，明知淑惠图谋的千子，依然拜托淑惠带她出电影拍摄地参观。

电影拍摄地在一座岛上，这里在战争中曾被当做实验基地，岛上的住民不断的被抓走做实验，最后只剩下老人。千子等人登上岛屿不久就碰到一起杀人案件，剧组的制片人被杀，宝石也消失不见。曾经被自己的母亲抛弃，以为自己再次被二十面相抛弃的健也等上岛屿。夜晚外出寻找二十面相的千子遇到能力怪异的人偶，人偶与二十面相之间有着不为人知的渊源。

小系春华有个双胞胎姐姐，7年前两人在海边嬉戏，姐姐突然溺水，等小系春华找来父母，姐姐已经消失在海中。邀请千子去游玩的小系春华，不断在别墅里碰到姐姐的灵魂，她以为是姐姐还没原谅她。被千子开导的小系春华、抛弃妹妹的空根侦探、关心千子的女仆留被白发人偶操控，想要逼千子吃下淑惠准备的毒药。刺破手的留回复神智，帮助千子逃离公寓。

白发人四处杀害与二十面相有关的人，更是想要通过迫害千子逼二十面相自动现身。逃离公寓的千子在雨中的大街上流浪。迷失方向的她被明智找到，在明智的询问下，千子重新确定目标。白发人偶绑架留，威胁千子不去岛上的话就杀掉留。千子孤身前往，却不敌白发人偶，反被人偶催眠。这时，化妆成明智的二十面相出现在岛上。二十面相与白发人偶之间到底是什么样的关系，千子又被带往哪里……

白发人偶和二十面相曾经是同一研究所的研究员，两人在工作中相爱。发现研究所偏离既定研究轨道的二十面相决定摧毁研究所，而白发人偶不甘心就此与二十面相分离，将自己改造成人偶想要永恒的陪伴在二十面相身边。在飞船上，达成心愿的白发人偶因身体迅速衰败逝去，二十面相再一次走向清除黑暗的路途，而千子则被二十面相嘱托给健。

得知夫人一直对千子下毒的的女仆留，用计策成功让夫人答应千子和自己搬到别的住所居住．飞行船上，千子与健努力自救，终于成功使飞行船坠落到海面上．在赶来的明智侦探的帮助下，两人终于得救，船上的其它人也大多得救了．健微笑着告别千子，游走了．医院里千子从明智口中得知了有关二十面相的一个线索－－水的第四种形态．

正当千子担心由于之前的事不能再和小系春华做朋友时，小系来到千子的新家拜访．一阵欢乐过后，两人和留一起组成了女子侦探团，在留的坚持下更名为少女侦探团．空根侦探在夫人的指使下到千子家回收毒药瓶子，却意外发现了夫人派来的两位杀手．空根侦探和少女侦探团合战杀手（挺欢乐的）．改过自新的空根侦探威胁夫人不要再对千子出手．当夫人说千子一定很她时，空根回答道，千子是个好孩子，只会同情别人．

放学后的千子一个人来到山丘上，陷入与二十面相在一起的回忆中。在这里千子遇到一个奇怪的老人松岛公平，此人自称曾是二十面相的老师。松岛公平告诉千子，她只是二十面相的一个棋子，并劝说千子将二十面相留给她的东西交由自己保管。千子四处调查想要知道二十面相留给自己的东西是什么，在回家的路上遭到不明身份的人攻击。为了查明真相，千子来到松岛公平身边。

千子坐上松岛公平的车离开，跟随而来的健也遭遇到不明身份的人的攻击，危急关头被香山望解救，却也就此失去千子的踪迹。千子被松岛公平带到一座地下研究所，想要再现二十面相曾成功的研究水的第四种形态。而研究的关键数据就在二十面相留给千子的诗中，遭到拒绝的松岛公平用小系春华逼迫千子交出数据，关键时刻二十面相出现在众人面前。

二十面相在研究所里装满炸弹，以此限制松岛公平的行动，却反被松岛公平改造的机械人控制。松岛公平用从千子那里得到的方法揭开诗中的谜题，通过占用整座城市的电力，在城市里制造水的第四种状态。水的第四种形态已超过人类能力的掌控，能够摧毁接触到的所有物体，城市面临着被摧毁的危险。乘着松岛公平陷入实验成功的狂喜中，二十面相引爆炸弹，毁掉一座灯塔的操控设备，暂时阻止了实验的进一步进行。

掌握研究数据的松岛公平带着两名机械人逃出研究所，打算手动启动灯塔上的设备，用整座东京市作为实验的原材料。松岛公平在灾祸现场散播“二十面相将要盗取整座东京市”的谣言，借此转移世人的视线，从而阻止紧追不舍的二十面相再次破坏试验。被迷惑视线的众人四处围捕作为二十面相女儿的千子。千子四处逃离，最终被失去理智的民众逼迫到楼顶。

千子即将被众人抓获，危急关头健和香山望驾驶飞艇出现，将千子救上飞艇。飞艇遭到机械人的攻击，迫降于灯塔广场，千子则利用飞艇俯冲时的冲力攀上灯塔。此时的松岛公平已进入到灯塔的操控室里，受伤的二十面相不敌已将自己改造成二十面相外貌的机械人的松岛公平。松岛公平强迫千子推动按钮，启动灯塔设备，再一次开始实验。

松岛公平曾经的愿望是研发新能源造福人类，却在战争中渐渐地迷失本性，在二十面相烧毁所有研究资料后彻底堕落黑暗中。松岛公平计划毁掉东京，建立属于自己的新未来。千子不愿就此逃离，她爬上塔顶，毁掉设备，彻底终止实验。面对二十面相的邀请，千子摇头拒绝，她要用自己的方法继续生活。为躲避记者的无休止骚扰，千子和留踏上前往英国的轮船。

松岛公平死后，二十面相就消失不见。三年过去，在英国上学的千子过着平静的生活，其他人也根据自己的意愿过着自己想要的生活。战后的世界向新着的方向前进，千子也决定回到日本。关于二十面相的结局，在民间流传着多个版本，有的说二十面相死于爆炸中，有的说二十面相已被警察逮捕。二十面相拥有不止一个面具，最重要的是“自己去听、去看、去思考”。