小林君らの努力で明智らは間一髪のところで難を逃れるが、明智は顔に火傷を負ってしまう。設計図は取り戻したものの既に複写されているらしい。 図面の残り半分を持ち大阪原子研究所から小泉所長が上京した日、子息の小泉君が誘拐されてしまう。やがて設計図と小泉君の身柄を交換するとの二十面相の手紙が小泉邸へ届く。 小泉所長は明智に電話するが折り悪く不在。その間に包帯で明智に変装した二十面相はまんまと設計図を持ち出す。 小林君らの追跡を振り切って逃げ去るが、車体ナンバーを手掛りに捜査が進められ、小泉君は無事発見。 だが海外逃亡の恐れのある二十面相の手掛りはない。小林君らは奥多摩の鍾乳洞に眼を着け踏み込むが、二十面相のため大空洞に監禁され水浸し寸前に陥る。 果して少年探偵団の運命は…？！