美術品を狙う謎の三人組の怪盗キャッツアイ。 警視庁捜査一課に所属する刑事 内海俊夫は怪盗キャッツアイを逮捕することに情熱を燃やす。 しかし、彼とキャッツアイには彼が知らない事実がある。 それは、キャッツアイの正体である三姉妹の次女 来生瞳が恋人であること。 今日も、キャッツアイを取り逃がし、課長に叱責された俊夫は、喫茶キャッツアイで瞳、泪、愛に弱音を吐く。 次に取り逃がせば異動させられる俊夫の危機を知った三姉妹は、複雑な思いを抱える。

瞳が探し求める絵『ある日の少女』が、冠木不動産の保管室にあると判明。 その保管室は国内で最も厳重なセキュリティシステムを備え、侵入は不可能だった。 泪は絵を保管室から出すように仕向ける作戦を思い付くが、それでも危険すぎる計画に三姉妹は盗みを断念する。 しかし、デート中、俊夫から絵の話を聞いた瞳は単独で盗みを決意。 『ある日の少女』と瞳との関係とは。三姉妹が怪盗キャッツアイとして美術品を狙う理由とは。

瞳は俊夫とのデートで訪れた美術館でキャッツアイとして下見をしていた。 キャッツアイが今回狙うのは大橋美術館に展示される父の絵「湖畔の家」。 しかし愛が思いを寄せる同級生 河野の父親が大橋美術館の警備担当をしており、絵が盗まれれば、その職を失うことを知り、瞳と泪は愛に黙って、盗みを計画した。 河野からキャッツアイの予告状が届いたことを知った愛は姉たちを問い詰め、今回の犯行に反対する。

犬鳴署に本庁から優秀な女性刑事 浅谷光子が配属される。 浅谷は、キャッツアイの内通者の存在を疑い、同僚の恋人である来生瞳に目を付けた。 浅谷は予告状に残る香水の香りが瞳の愛用する「夜間飛行」と同じであることに気づき、彼女を執拗に監視する。 一方、キャッツアイは都立美術館に展示されたクラナッフの絵画「ライン川」を盗むと予告。 下見を終えた愛は容易な犯行だと考えるが、瞳は浅谷の存在を警戒する。

街を騒がせる宝石専門の泥棒「ねずみ」こと神谷真人が現れた。 神谷は普段、フリーライターとして活動し、警察である俊夫から情報を得ることで、華麗に宝石を盗み去っていた。 そんな中、喫茶「キャッツアイ」に現れた神谷は瞳に興味を持ち、愛との賭けを通じ、瞳に近づこうとする。 神谷はキャッツアイが狙う「湯上がりの女」を先に盗み出したことがきっかけで、キャッツアイの正体を知ることになる。

瞳はキャッツアイとしての活動が、俊夫とのすれ違いを生んでいることに心を痛めていた。 そんな中、瞳は「風の通り道」を盗むため高尾高原美術館に潜入。警察の厳重な警備を突破し、絵画を手に入れる。 しかし、逃走中、俊夫の白バイとカーチェイスになった瞳は、共に深い穴へ転落してしまう。一時的に視力を失った俊夫と、足首を負傷した瞳は、手錠で繋がれたまま穴の中で助け合うことになる。