脅迫状と発炎筒には『電波科学』と『近代映画』という2つの雑誌が使われていた。捜査機関は2つの雑誌の読者の性向を絞って犯人を捜査。しかし、『電波科学』はテレビ配線図などを機械改造を望むマニアックな理系読者、『近代映画』は芸能情報を望むミーハーな文系読者と、2つの雑誌の読者の性向は両極端であり、これらの雑誌を置いている書店に聞き込みをしても、2つの雑誌を併読している読者は皆無であった。その後の捜査で、『電波科学』の読者にとって一番重要だった「配線図」のページが犯行に使用されていたことから、本来の読者であれば違うページを使用したと推理し、捜査撹乱のために全く無作為に2冊の雑誌を購入して犯行に使用したものと結論して、捜査を打ち切った。
東京都国分寺市西元町3-26の国分寺史跡七重の塔近くの本多家墓地の入口、武蔵国分寺跡のクヌギ林。現金輸送車であるセドリックが乗り捨てられていた場所。遺留品にはセドリックが残った。事件直前に第二現場で濃紺のカローラが目撃されていたことから、犯人はここで、濃紺のカローラに乗り換えたと思われた。逃走車の乗換えを想定していなかったことが、初動捜査で犯人を捕まえられなかった遠因となった。
犯人が残した遺留品が120点もあったため、犯人検挙について当初は楽観ムードであった。ところが、遺留品は盗難品や一般に大量に出回っているものであったため犯人を特定する証拠とはならず、大量生産時代の壁に突き当たってしまった。犯人の主な遺留品は以下の通り。
イタリアのジェノバにあるサン・ジョルジョ宮殿で、マルコ・ポーロの書いた旅行記『東方見聞録』の幻の1ページ、「アナザーページ」が発見された。そのアナザーページには、マルコ・ポーロが遺した財宝の在り処が記されているという。ある晩、サン・ジョルジョ宮殿で、アナザーページを発見したテオ・アルジェント教授が殺害され、それと共にアナザーページは奪われていた。たまたま現場にいたルパンは警備員たちに追われ、アナザーページを手に宮殿を脱出するが、そこに黒服の男たちが襲いかかり、アナザーページを奪われてしまう。ところが、彼らは突然炎に包まれ消えてしまった。間一髪炎から逃れたルパンは、残されたアナザーページを拾って立ち去る男を目撃する。後日、アルジェント教授の助手だったクラウディオ・ベラルディの証言で、ルパンがアルジェント教授殺害の犯人だとされる。「ルパンがそんなことをする訳がない」と主張する銭形警部は、アルジェント教授の孫娘リサ・アルジェントに事情を聞きに行くが、リサはベルナルドの部下に襲われ、逃げ出してしまう。一方、無実の罪を着せられたルパンは次元と合流し、次元に今回の計画を話したものの、また不二子にねだられてやっていることを知った次元は関わりたくないとルパンの誘いを断り、立ち去ろうとする。ところがそこで、ベルナルドの部下に追われるリサに遭遇し、偶然助け出す。ルパンはリサに名前を聞かれた際、正体を隠す為、たまたま見かけたカーネル・サンダースの人形からとっさに「ICPOのカーネル警部（ルパン）と、その部下のサンダース刑事（次元）」と名乗る。彼女がアルジェント教授の孫であることを知ったルパンは、何とか協力を得られないかと考えるが、そこに銭形とクラウディオの二人が現れる。ひとまず逃げ出そうとするも、そこにちょうどよく不二子が現れ、リサを保護してもらう。ところが不二子はすでにベルナルドと組んでいて、リサはベルナルドのアジトであるロンバルト重工の工場に監禁されてしまった。ルパンと次元はそこへ潜入してリサを助け出す。ルパンはそこで、アナザーページを奪い去った男の正体がベルナルド・ビラールであることを突き止め、アナザーページを奪回するとともに、とあるシステムのデータを入手した。3人はアナザーページの謎を解くために、一路北京に向かう。その頃、日本の岩手県平泉の山奥では、「剣を捨てるべきか否か」と悩んだ五ェ門が1人修行の日々を送っていた。五ェ門は修行中に出会った住職に案内されて彼の寺を訪れるが、そこで住職の孫娘である三姉妹（博美、留美、亜美）に家宝を狙った賊と勘違いされ、襲われてしまう。姉妹の長女博美は「腕試し」と称する襲撃に躊躇し、五ェ門を助けようとするが、逆に危ないところを五ェ門に助けられ、彼に想いを寄せるようになる。二人の仲を見た住職は五ェ門を本堂の奥に呼び、自分たちの正体を明かす。実は住職たちは平泉で死んだ武蔵坊弁慶の所有していた七つ道具を死守し、長い間行方不明となっている弁慶の「黄金の太刀」を探す役目を負っている一族だった。しかし、住職は孫娘たちには一族の宿命を負って欲しくないと考えており、「宿命に躍起となっている博美を救って欲しい」と五ェ門に頼み込み、五ェ門も協力を約束する。マルコ・ポーロの足取りを追うように北京に到着したルパンは、待ち受けていた銭形にわざと捕まり、財宝に関する情報を知る中華マフィアの包龍とともに刑務所から脱出する。包龍の経営するカジノを訪れたルパンは、包龍から「マルコ・ポーロは中国の東方に旅立った」という伝承を聞き、アナザーページに刻まれていた文字を解読した結果、日本の平泉に財宝があることを確信する。しかし、直後にベルナルドの襲撃を受けてしまい、なんとか逃げ出して、包龍からクルーザーを譲られたルパンたちはそのまま日本へと向かう。平泉に到着したルパンたちは住職や五ェ門と出くわし、彼らの話からマルコ・ポーロの財宝と弁慶の遺産が共通したものであることを知り、共に財宝の在り処を調べる。そこにルパンたちの行き先を突き止めたベルナルドが部下を差し向けて来た。リサを助けようとした博美は連れ去られてしまい、責任を感じたリサにルパンはワルサーを渡す。その頃偶然、リサを発見した銭形も現地へと急ぐのであった。博美の行方は掴めず、途方に暮れていたリサの前に再びクラウディオが現れ、そこにルパンも駆けつける。クラウディオはルパンのことを、アルジェント教授を殺した犯人のルパン三世だと叫び、ルパンも自分がルパン三世であることを初めてリサに明かす。正体を知ったリサは慟哭してワルサーを向けるも、ルパンから事件の真相が明らかにされる。