ルパン三世と次元大介はとある仕事でヘマをし、アジトを警官隊に包囲されてしまう。しかし、そこに現れた銭形警部は警官隊を解散させると単身で乗り込んでくる。訝しがるルパンを後目に銭形は、自分がルパンの専従捜査を解任されたことを明かす。代わりにルパン捜査には傭兵あがりで捜査対象を殺すことも厭わないことで知られるキース・ヘイドン捜査官が着任し、銭形は謎多き武器密売組織「ショットシェル」の壊滅捜査を命じられたとのことであった。銭形を哀れに思ったルパンは「ショットシェル」から大金を盗み、ついでに壊滅させる計画を立てる。銭形は大金強奪は知らず、純粋に自分のためにショットシェルを壊滅させようとしていると感謝してルパンに協力する。
ショットシェルがロシアの最新鋭原子力潜水艦「イワノフ」を狙っていることを知ったルパンらは、彼らをおびき出し、コンタクトを取るために、イワノフ強奪を狙う。イワノフを動かすにはロシア核物理学研究所に所属する若き女性天才物理学者カレン・クオリスキー教授が必要であり、同じく彼女の身柄を狙うショットシェルの機先を制して峰不二子と石川五ェ門が彼女を先に拉致し、その後、銭形を加えたルパン一味はまんまとイワノフの強奪に成功する。
実はカレンは、少女時代に目の前で父が、彼の相棒であった次元に射殺されていた。このためカレンは機をみて父の仇を討とうとし、油断させるため彼から拳銃の手解きを受ける最中、出自を明かして次元を撃とうとする。しかし、これはキースの襲撃によって有耶無耶となってしまう。
表向きルパンらを快く出迎えたジョンは、カレンの行方を探りつつ、ルパン達をビジネスパートナーとして、自分が核関連兵器に手を出そうとしていることを明かす。その一環として、アメリカの廃棄された原子力潜水艦の原子炉や、ロシアの廃棄された原子力潜水艦の強奪を依頼し、ルパンも彼を油断させるため引き受け成功させる。並行してとある建物一棟まるまるが、ショットシェルの現金を貯めている金庫であることを突き止める。