江戸川乱歩の原作を映画化した少年探偵団シリーズの第1作。最新型原子炉の設計図をめぐって、怪人二十面相と名探偵明智小五郎、そして明智を助ける少年探偵団が火花を散らす。警戒厳重な日本原子力第一工場に、ある夜、怪盗が侵入。新聞は、怪人二十面相の仕業と報じる。幸い、狙われた原子炉設計図は名探偵明智小五郎の機転で相川技師長の家に隠されていた。明智の事務所に集った小林少年ら少年探偵団は、怪人二十面相の逮捕を誓い、捜査を開始する。