괴짜 애완동물 탐정 에이스 벤츄라의 아들 에이스 주니어는 아버지를 쏙 빼닮아 동물 사건이라면 물불을 가리지 않는다. 엄마 멜리사는 아들이 아버지의 길을 따르는 것이 못마땅하기만 하다. 그런데 마이애미 동물원에 새로 온 아기 판다가 감쪽같이 사라지고, 판다 우리를 준비하던 멜리사가 범인으로 몰려 체포되는 일이 벌어진다. 엄마의 누명을 벗기기로 결심한 에이스 주니어는 할아버지 렉스에게 집안 대대로 내려온 탐정 수업을 받으며, 과학 천재 친구 에이플러스, 짝사랑하는 소녀 로라와 함께 본격적인 수사에 나선다. 그리고 곧 판다 실종이 유명 동물들을 노린 연쇄 도난 사건과 이어져 있다는 사실을 알게 된다.