Paris, 1888. La petite Pétronille, âgée de six ans, découvre avec émerveillement la ville lumière. Elle vit dans le maquis de Montmartre dans une famille d'accueil, Les Roublot. Couple de crapules, ceux-ci enseignent à la petite fille les bases du cambriolage. La nuit, ils l'obligent à s'introduire dans des maisons bourgeoises et, le jour, ils la laissent livrée à elle-même. En explorant le quartier, Pétronille fait la connaissance de trois jeunes garçons : Évariste, Félix et Eustache. Ces derniers, un peu plus âgés qu'elle, font des acrobaties et du jonglage au son de l'orgue avant d'en appeler à la générosité des badauds. Fascinée, Pétronille sympathise avec eux. Un jour, elle apprend que les Roublot et trois truands du quartier préparent un mauvais coup : ils projettent de voler à un inventeur, le professeur Pipolet, les plans d'une machine qu'il veut vendre à un jeune industriel. Comprenant que les bandits ont l'intention de supprimer l'inventeur après l'avoir dépouillé, elle décide de faire appel à ses nouveaux amis pour empêcher ce crime d'avoir lieu…

Paris, 1892. Pétronille a grandi et a intégré la troupe de saltimbanques aux côtés de Felix, Évariste et Eustache. Après la découverte d'un message dans une bouteille, ils s'embarquent dans un jeu de piste qui pourrait les mener au trésor des dames de Montmartre. La troupe devra composer avec le retour d'Ignace Roublot, évadé de prison, ainsi que l'étrange Arsène Lapin…