Brandmän kallades till Toys R Us butik i Kingsway West Retail Park klockan 00:34.
Sju apparater, inklusive en antennenhet, anföll branden i ett yttre tak på baksidan av byggnaden.
Den skotska brandkåren sade att butiken var kraftigt rök-loged som ett resultat, men branden släcktes inom två timmar.
En talesman för polisen i Skottland sa att officerare var angelägna om att spåra en person som sågs i området vid den tiden som bar en ljusfärgad huva topp och mörkfärgade byxor eller jogging bottnar.
Polisen i Dundee utreder om en stor brand på en leksaksaffär startades avsiktligt.