少年侦探团团员井上一郎和野吕一平偶遇骷髅绅士，追踪至马戏团后，骷髅怪频频现身制造恐慌，不仅惊扰观众、恐吓杂技演员，还盯上团长笠原太郎的子女正一和美代子。少年侦探团介入调查，却发现骷髅怪神出鬼没，屡次凭空消失，还设下诡计掳走正一，甚至留下恐吓信称要让笠原亲手杀死儿子。随着调查深入，名侦探明智小五郎揭开关键线索，原来所谓的骷髅怪竟是伪装高手——二十面相！他冒充笠原团长复仇，还利用马戏团机关、暗道和易容术屡次逃脱。最终众人展开围捕，一场横跨射击场、洋房、深山洞窟与马戏团的追逐战上演。