Cerita berfokus pada Marinette Dupain-Cheng, seorang gadis remaja pemalu yang sering merasa tidak percaya diri dan dikucilkan di sekolah. Di sisi lain, ada Adrien Agreste, putra model kaya yang merasa kesepian setelah kematian ibunya dan memiliki hubungan yang dingin dengan ayahnya, Gabriel. Nasib mereka berubah saat Master Fu, penjaga perhiasan ajaib (Miraculous), memilih mereka untuk menjadi pelindung Paris. Marinette mendapatkan Miraculous Ladybug (kekuatan penciptaan) dan Adrien mendapatkan Miraculous Cat Noir (kekuatan penghancur).
Ayah Adrien, Gabriel Agreste, ternyata adalah penjahat super bernama Hawk Moth. Ia menggunakan kekuatan Miraculous Butterfly untuk mengubah emosi negatif warga Paris menjadi monster super (akumatization). Tujuan utamanya adalah merebut perhiasan Ladybug dan Cat Noir agar bisa membangkitkan kembali istrinya yang telah tiada.
Sama seperti serialnya, film ini menonjolkan aspek romansa yang rumit:
- Marinette mencintai Adrien, tetapi tidak tahu bahwa Adrien adalah Cat Noir.
- Cat Noir mencintai Ladybug, tetapi tidak tahu bahwa ia adalah Marinette. Keduanya harus belajar bekerja sama sebagai tim meskipun awalnya mereka sering berselisih paham.
- Identitas Terbongkar: Dalam pertarungan yang emosional, topeng mereka sempat rusak. Gabriel akhirnya menyadari bahwa Cat Noir yang ia serang secara brutal adalah putranya sendiri, Adrien.
- Penebusan Dosa: Menyadari rasa sakit yang ia timbulkan pada putranya, Gabriel menyerah dan meminta maaf. Ia menyadari bahwa ambisinya telah membutakannya.
- Akhir Bahagia: Berbeda dengan serialnya yang masih berlanjut, versi film ini memberikan resolusi yang lebih cepat di mana identitas mereka mulai terungkap satu sama lain di pesta dansa sekolah, diakhiri dengan ciuman yang dinantikan penggemar.