Les trois pépées, Nathalie, Elvire et Christine, après avoir fait arrêter la bande de Monsieur Charles (cf. « Les Pépées font la loi »), jouissent d'un repos bien gagné mais le chef des Services secrets fait à nouveau appel à leurs compétences pour résoudre le mystère de l'assassinat du Professeur Poland et retrouver les documents concernant les travaux du savant. Malgré leur répugnance à s'engager dans une nouvelle aventure, les trois jeunes femmes se mettent aussitôt à l'ouvrage. Au cours d'une visite domiciliaire chez les gangsters qu'elles soupçonnent, elles retrouvent les documents, mais ceux-ci se révèlent faux et, dans l'expédition, elles perdent Nathalie qui reste prisonnière. Cependant, Elvire et Christine réussissent à gagner la confiance d'une aventurière, Olga, qui leur propose une association avec le gang, moyennant quoi, Nathalie sera libérée. Tout en jouant le double jeu, les jeunes femmes, qui ont réquisitionné toutes les armées, font fouiller minutieusement la villa du défunt professeur par un archéologue hurluberlu et ses élèves. Les recherches sont vouées à l'échec jusqu'au jour où les « pépées » ont l'idée de s'adresser à la vieille bonne du professeur qui vient remettre, contre argent, les documents authentiques, au chef du gang. Les jeunes femmes semblent donc avoir perdu sur toute la ligne et, par surcroît, c'est au tour de Christine de tomber aux mains des bandits. Par bonheur, les deux autres, grâce à un hélicoptère, réussissent à sauver leur soeur et, pendant qu'une bagarre monstre oppose les gangsters aux forces de l'ordre, toutes trois, d'accord avec Olga, détruisent le secret du dangereux explosif, inventé par le Professeur Poland.