前作から半年後に制作された北条司の人気漫画の続編アニメ。チーフディレクターは、のちに『シティーハンター』や『名探偵コナン』といった名作の監督を務めるこだま兼嗣。
父親を探すため、「キャッツ・アイ」としてパリで活動する来生3姉妹。だが、彼女たちが不在の東京で、キャッツ・アイを名乗る偽の怪盗が暗躍しているとの情報が。帰国した3人はさらに父親が日本にいるという情報を入手。彼女たちの活躍の場は再び東京へ！
キャッツ・アイがパリに滞在している間に、日本では偽キャッツが暗躍していた。それを知った瞳たちは急いで帰国し、盗みのためには手段を選ばない偽キャッツのカトリーヌと対決するが、彼女には意外な目的があった。
25分
泪はホステスを装い横浜の暴力団のボス・前島に近づく。目的は彼が持つ絵画で、前島に誘われ邸内に入り込んだ泪だったが、探索中に見つかってしまい何とか脱出。あとは展覧会に展示された絵画を狙うしかない。
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キャッツ・アイは絵画を奪って逃走中、火事から子供を救出した。彼女たちが人命を尊重することを知ったミスターシェルは、幼稚園児20人を誘拐し、キャッツに絵画2枚の奪還と園児との交換を持ちかける。
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絵画を奪うため美術館に侵入した瞳だが、隠し部屋に潜んでいた俊夫に顔を見られてしまった。大ピンチのその時、愛が機転を利かせ俊夫を殴って失神させる。その後、美術館そっくりに作った部屋に搬送されるが…。
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本庁特命課のエリート警視・氷室は、キャッツ・アイ逮捕のためには手段を選ばない男だった。偽の強盗団を仕立て、彼らが奪った絵画を狙って現れた瞳を密室に監禁するのだが、課長も一緒に閉じ込められてしまう。
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瞳たちが絵画を奪って帰宅すると、店の前で俊夫が待っていた。ボーナスを盗まれて家賃が払えずアパートを追い出されたのだと言う。仕方なく居候させるが、女3人の生活に男が入り込んだため大混乱をきたす。
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俊夫が居候を続けているため、美術品の奪取計画を練ることもままならない瞳たちは、彼を追い出そうとお色気作戦を展開。だが、鈍感な俊夫にはあまり効果がなく、泪の過激な挑発に瞳が怒りを爆発させる。
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世界的な慈善団体・ABC財団がキャッツに絵画を奪われる。会長のコネリーは日本政府に責任があると非難し、帰国の際のチャーター機を要求したが、絵画も会長も偽物だった。全ては国際的窃盗団によるわなだったのだ。
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悪徳事業家の小針からダイヤの原石を奪ったキャッツは、俊夫に追われてパトカーのバンパーに隠す。だが、どのパトカーかわからなくなってしまい、判明したのは当のパトカーで俊夫と瞳がデートに出かけた後だった。
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キャッツが狙っていた絵画を盗んだ怪盗28号こと森崎が逮捕された。だが、絵画の行方は不明で、キャッツは絵画を奪うため森崎を救出。マフィアに成り済まし売買交渉を進めようとするが、森崎は偽マフィアだと見抜く。
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