一部比福尔摩斯更加敏锐的悬念电影！ 二战结速前夕，在中国东北的731研究基地，一位日本博士的变脸手术取得成果。这意味着它可以让一个人变成敌国的总统或司令，并以次扭转战局。战争结速后三年，正当是日本从战争中恢复的时候。日本各地都有流传二十面相的谣言。二十面相是一个专门盗取高级文物的大盗。人如其名。他有着二十张不同的脸可以转换，来无踪去无影。让警视厅毫无办法。东京所有珍藏的美术品，以及价值昂贵的宝物都会被“怪人二十面相”相中，这件事当时成了民众最关心的话题，并且弄得人心惶惶。
这时，担任国立博物馆的馆长北小路[北村总一郎]收到了一封行窃预告信─『所有的国宝都是我的』。当然一看就知道是二十面相[北野武]的杰作。于是中村警部[伊东四郎]大力部署警力，调派手下，其结果国宝还是被盗走了。二十面相认为自己的计划是天衣无缝，但事实上早就被明智侦探[田村正和]给识破，而且早设下埋伏。
过了几个月，明智的助手小林少年[中尾明庆]和朋友始[村上雄太]去看马戏团。可是就在开始表演魔术的同时，表演者的助手[宫泽理惠]被反困在栅栏里，小林少年好不容易救她出来，却意外的发现二十面相再度发出的行窃预告信，这一次的对象，竟是始的母亲[黑木瞳]所拥有的“ROMANOBU的钻戒”………
此时，名侦探明智小五郎多次与而是面相斗勇。二十面相的真实目的是什么呢？待到明智小五郎明白的时候，他才真正了解731试验中的变脸的二十面相，也就是明智的昔日战友中的真正痛苦……
