電影在法國展開，反派與空中都市王子（諏訪部順一配音）攜一名嬰兒乘坐飛艇時遭遇空賊劫持，魯邦三世中途現身爭奪寶物。少女空賊尤緹卡（石川由依配音）攔截魯邦未果反遭冒犯，憤而掌摑致其墜落塞納河。魯邦意外帶著嬰兒及一塊記載空族寶藏位置的水晶返回據點，與次元大介陷入撫養嬰兒的窘境，并在盜竊中持續攜帶此物。錢形幸一警部循跡追蹤至羅馬，因魯邦關聯性被反派勢力策反奪嬰。反派秘書真實身份為峰不二子（澤城美雪配音），其立場成謎。魯邦與次元遭追捕逃入古羅馬斗獸場期間，尤緹卡趁機奪回嬰兒返航基地，魯邦緊追至空賊據點后揭露內部叛徒。最終族長（菅生隆之配音）引爆基地與敵人同歸于盡，魯邦、次元及尤緹卡攜嬰兒逃脫。該片揭示嬰兒身份為空族末裔公主，水晶實為開啟天空之城遺產的關鍵信物。