ティム(ジャスティス・スミス)は少年の頃はポケモンのことが大好きだったが、父のハリーがポケモンに関する事件の捜査に向かったきり家に戻らず、父とポケモンを遠ざけるようになった。歳月が流れ大人になったティムのもとに、ある日、ハリーと同僚だったというヨシダ警部(渡辺謙)から父が事故で死んだとの知らせが。複雑な思いを胸に、荷物を整理するため人間とポケモンが共存する街・ライムシティにあるハリーの部屋に向かったところ、自分にしか聞こえない人間の言葉を話す名探偵ピカチュウ(ライアン・レイノルズ)と出会う。ハリーの相棒だったピカチュウは事故の衝撃で記憶を失っていたが、ハリーがまだ生きていると確信していた。ハリーが姿を消した真相、そしてライムシティで起こる事件を、ティムとピカチュウの新コンビが追っていく。