街に出没する黒い魔物の噂が広まっていた。この怪物を捕まえようと、わんぱく探偵団の見習い・チビちんは、近所の家を覗き込む魔物を目撃、団長の小林くんに知らせる。黒い魔物はミドリを誘拐するが、狙いは彼女の父、次郎がインドから持ち帰った秘宝セイロンの涙を取り戻すことだった。

大和自動車の新型"レッドスネーク2000"のスピードテストが行われたがドライバー早川の事故死という悲惨な結果に終わる。試作車2号が完成した喜びも束の間"死神"と名乗る怪人が、その車を頂戴すると予告した。警備にあたる明智と探偵団。小林くんは不審な少年、早川の弟・次郎を捕まえる。

青山墓地で肝試しを開いた探偵団の前に、全身を輝かせた夜光怪人が出現、チビちんに怪我を負わせた。怪人が富豪・杉本の所有する一億円相当の仏像を狙っていると知り、警護にあたる探偵団。しかし仏像は盗まれてしまう。明智小五郎は怪人のトリックを暴き、見事仏像を取り返してみせる。

明智たちの活躍により逮捕された二十面相が収監先の谷原刑務所から脱走した。高名な学者である秋山博士の周辺に、不気味な一本足の幽霊が出没し始める。怪人は博士が持つ原子力ロケットの設計図を狙っていた。厳重な警戒網が敷かれるが、意表をついて博士の娘マリ子が誘拐されてしまう。

何者かが投げ込んだ地図に導かれ房総半島を訪れた明智一家と探偵団。明智の別荘に身をおいた一同は"悪魔島"と呼ばれる無人島の近海へ向かう。そこでは、幕府の軍資金を積んだまま沈んだ"あしびき丸"の引き上げが行われていた。海に入った明智と小林くんは海底で怪物と遭遇する。

上野美術館に現れた二十面相は、"ペルシャの壺"をいただくと宣言した。中村警部が配備した二千人の警官隊による包囲網を、巧妙な手口で突破、まんまと壺を盗み出す二十面相。明智の知略で一度は捕まるが壺もろとも逃走する。チビちんは鞄のなかに隠れて奇岩城に入り込むことに成功する。

全身が青銅で覆われた怪物"青銅の魔人"が出現。高級な時計が次々と被害にあった。黒川竜之介という名家の主が明智の事務所を訪れる。魔人から"皇帝の夜光時計"を護ってほしいというのだ。厳重な警備体制に加え、自ら蔵に入り時計を見張る黒川だったが、魔人の奸計は蔵のなかにまで及ぶ。

満腹寺では、夜ごと現れる幽霊に悩まされていた。住職は明智に怪現象の解決を依頼。探偵団が調査に赴く。深夜続々と姿を現す幽霊。それらは、灯篭に仕込まれた映写機によるトリックだった。幽霊は自らを二十面相と明かし宝物堂に保管されている千手観音像を明晩2時にいただくと宣言する。

中村警部のもとに二十面相からのメッセージが届いた"オリオン勲章"を手に入れるという。警部は秘密警備隊員のM2号に護衛を依頼。ともに任務につくはずだったM7号は謎のミイラによって眠らされ明智が代役を務める。彼を事件に引き入れて負かすことが、ミイラこと二十面相の目的だったのだ。

事件を解決した明智に対し警視総監賞が送られることになる。パーティーには明智と同じマンションに住む芸術家・黒木一郎も招かれる。おトコは黒木から絵のモデルを依頼される。屋外に天をつくほど巨大な"魔人ゴング"が出現。明智の表彰状を奪ったゴングは各地に出没しては騒ぎを起こす。

杉野宝石研究所では人造ダイヤ製造機の完成が迫っていた。杉野博士は親を亡くしている甥の国夫を大学に入れることを願う。高名な権田博士が研究を見に現れた。言葉巧みに杉野を自分の屋敷へと誘い、設計図の引渡しを迫る権田。図面がもう一枚存在すると知るや国夫を人質にしようと狙う。

おトコはベランダで大きな蜘蛛と遭遇。残されていたビラのファッションショー開かれる帝立劇場へ赴く明智夫妻とおトコと小林。ショーの目玉大英博物館秘蔵のサファイヤ"クイーン・オブ・ジャマイカ"を身につけたモデルが舞台に上ると、怪物のような蜘蛛がモデルもろとも宝石をさらう。

おトコの誕生パーティーに向かう途中、探偵団は二十面相の挑戦状を手にする。メソポタミア展の秘宝の数々を頂戴するというのだ。移送中の車が襲撃されるが、このときは明智の計略により事なきを得る。秘宝を寝ずの番で見張る明智と団員たち。敵の催眠ガスによって全員が眠りの縁に。

蝙蝠の化け物に追われる男から、ルビーの入った小箱を預かったすてやん。男は殺されるが、直後に死体は忽然と消えてしまう。。"インドの赤い星"と呼ばれるそのルビーは、以前から怪人"蝙蝠男爵"に狙われていたのだ。おトコが預かった隣家宛ての荷物のなかから蝙蝠の群れが出現した。

地獄仮面と名乗る三人組が東都大学地質学研究室から桜井博士を誘拐した。助手の村上教授は明智に捜索を要請。私立探偵、北條大介が記者会見を行い地獄仮面の正体が二十面相であり狙いが博士の発見したウラン鉱脈であることを指摘。偽のVバッジに導かれ、探偵団は博士を無事発見するが。

二十面相は来日するミロのヴィーナスを盗むと予告した。記者会見を受ける明智と中村警部。東洋タイムスの本堂は明智らを挑発するような態度を。やがて来日当日、海賊風の男たちによって輸送中のヴィーナスは強奪されてしまう｡小林たちは不本意ながらも本堂と協力､敵の追跡を開始した。

天狗に美術品のコレクションを狙われた土地の有力者・浅野は、明智に真相の究明を依頼する。現地に向かう小林たちの前に山の番人を名乗る老人が出現、この件に関わるなと勧めた。天狗山の祠へ到着した団員に、烏天狗の群れが襲いかかる。コレクションを巨大な手が掴み上げた。

パール共和国大使館の秘密書類を撮影したというスパイ容疑で、明智が逮捕されてしまった。。明智を救おうと懸命になる探偵団の面々だが、彼らの前に不気味な"蝋人間"が現れ、事件から手を引くよう忠告する。小林は、その正体が二十面相だと突き止めるも反対に彼の罠に落ちてしまった。

小林とおトコの級友・鏡鈴子が黒い犬に襲われ何者かに誘拐されてしまう。探偵団の応援を得て鈴子を救い出した小林は、彼女の故郷・黒尾村での出来事を聞く。この村では犬を大事にする因習があるが、鈴子の父・吾平は犬を嫌うあまり乱暴を働き黒い犬の呪いで発狂してしまったというのだ。

鈴子は小林に父が犬嫌いなのは南米旅行から帰ってからと話す。吾平が大切にしていた南米旅行中の写真に彼とともに飯田という男が写っていた。謎が南米旅行にあるとにらむ小林。吾平が何者かにさらわれてしまった。博士の身を案じる一同を待ち構えていたのは仕込み刀を構える怪人だった。