動畫舞臺設定在1999年，14歲的明智安娜從2027年穿越回真未來市，在那里結識了同齡且憧憬成為名偵探的少女小林未來。兩人目睹幻影怪盜團奪走人們珍貴之物、令市民陷入困擾的場景后，通過神秘偵探道具變身為名偵探光之美少女。她們以卓越推理能力與團隊協作，運用偵探手杖、放大鏡等專屬裝備破解怪盜團制造的連環謎題，逐步揭露該組織為尋找傳說寶藏而實施掠奪計劃的真實目的。在追蹤過程中，兩人不斷突破案件迷霧，最終直面幻影怪盜團首領的陰謀，在守護市民重要羈絆的同時將犯罪組織徹底瓦解。