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Ambientato a Londra nel 1897, il film si apre con Hiram Flaversham, un topo giocattolaio di origini scozzesi che festeggia il compleAnno di sua figlia, la dolce Olivia, quando improvvisamente Vampirello, un misterioso pipistrello con un'ala spezzata e una gamba di legno irrompe con violenza nel loro negozio minuscolo situato sotto una casa, rapendo il padre mentre la piccola Olivia si nasconde. La topina, sola e disperata, va dunque alla ricerca di Basil di Baker Street (parodia di Sherlock Holmes), un rinomato topo investigatore e poliziotto, affinché possa aiutarla a trovare il padre. Sulla strada Olivia si imbatte fortunatamente in un medico, David Q. Topson (parodia del Dottor Watson), che stava cercando casa a Londra, ma decide di aiutare la piccola e insieme vAnno alla casa di Basil.

Nel frattempo, Vampirello porta Hiram al cospetto del suo padrone, il diabolico Professor Rattigan, (parodia di Professor James Moriarty), un ratto grande criminale e la nemesi di Basil; egli spiega di averlo rapito per farsi costruire da lui un automa ad orologeria che abbia l'aspetto della Regina dei topi, così da ingannare il suo regno, divenire Re e conquistare l'Impero britannico. Intanto Topson e Olivia arrivano a casa di Basil, il quale vive nel sottosuolo della casa dell'investigatore Sherlock Holmes e il suo fedele aiutante, il Dottor Watson, come tutti i topi che vivono di nascosto dagli umani, infestando i sotterranei delle loro abitazioni, a seconda della professione degli uomini stessi (anche la regina Maustarda vive nel sottosuolo del Buckingam Palace e, come la regina Vittoria per gli umani, regna sui topi d'Inghilterra). Basil all'inizio è riluttante ad accettare il caso, quando però Olivia gli parla di Vampirello, si rende conto che seguendo il caso potrebbe risalire a Rattigan stesso e al suo covo. Grazie al berretto del pipistrello, ritrovato sulla strada, il detective Basil, il dottor Topson e Olivia lo rintracciano grazie a Ugo, il cane di Sherlock Holmes (grazie al suo infallibile olfatto).

Vampirello si è insidiato in un negozio di giocattoli ed è intento a rubare gli utensili, gli ingranaggi dei balocchi, le uniformi reali dei soldatini di piombo; nella sua lista, figura anche il rapimento di Olivia, che Rattigan vuole usare come mezzo di persuasione per indurre Flaversham ad eseguire i suoi ordini. Durante una colluttazione con Basil, Vampirello riesce nel suo intento e, rapita la topina, fa ritorno al covo di Rattigan soddisfatto.

Nonostante la rabbia di Basil, Topson trova la lista delle cose da rubare di Vampirello. Dopo aver compiuto delle analisi chimiche, Basil scopre che il rifugio di Rattigan è in una zona sulla riva del Tamigi. Vestitisi da marinai, Basil e Topson entrano in incognito all'interno della locanda "Trappola del Topo"; qui localizzano Vampirello e, nascondendosi, lo seguono al quartier generale di Rattigan. Tuttavia il diabolico professore, fidandosi delle grandi doti investigative di Basil, li aspetta con un'imboscata: entrambi vengono catturati e legati a una trappola mortale, che scatta al termine di una canzone. Sistemati Basil e Topson, Rattigan e i suoi scagnozzi vAnno a Buckingham Palace, dove rapiscono la Regina dei topi e la sostituiscono con l'automa. Intanto, Basil riesce a scoprire il punto debole della trappola e così riesce a liberarsi con Topson e Olivia. Nel frattempo a palazzo, Rattigan costringe Flaversham a usare il Regina-robot per farsi eleggere Re, mentre la vera Regina sta per essere data in pasto a Lucrezia, la feroce gatta di Rattigan. Basil e i suoi amici però arrivano per tempo e salvano la Regina, mentre Lucrezia è scacciata da Ugo e, nella fuga da questi, entra per errore nella tenuta dei cani reali, finendo sbranata.

Basil mette poi fuori gioco gli scagnozzi di Rattigan e lo smaschera, dopo aver liberato Hiram, che può riabbracciare la sua figliola. Tuttavia, Rattigan fugge dalla folla inferocita di topi con Vampirello, portando con loro Olivia, da lui sequestrata nella confusione. I due provano quindi a fuggire sul loro mini-dirigibile, e Basil, Topson e Hiram, dopo aver costruito una mini-mongolfiera con una bandiera britannica e dei palloncini (per far uscire ogni tanto l'aria e muovere velocemente il mezzo), lo inseguono. Durante l'inseguimento, Rattigan, per "alleggerire il carico", getta Vampirello dal dirigibile (il pipistrello, non potendo volare a causa della sua ala spezzata, precipita e annega nel Tamigi). Dopo il rocambolesco inseguimento Basil riesce a buttarsi sul dirigibile, e Rattigan, distratto, lo fa schiantare contro la torre del Big Ben. Una volta al suo interno, Basil riesce a salvare Olivia dalle grinfie di Rattigan, riportandola da Hiram. Fuori di sé dalla collera, Rattigan fa uscire fuori la sua natura violenta di ratto, e ingaggia un duro e violento scontro con Basil (palese riferimento allo scontro finale tra Sherlock Holmes e Moriarty alle cascate di Reichenbach, descritto nel racconto L'ultima avventura), dove alla fine Rattigan ha la peggio e muore precipitando dalla torre.

Alla fine, Basil e Topson vengono ringraziati pubblicamente dalla Regina dei topi in persona mentre Olivia, insieme al padre Hiram, parte in treno. Poco dopo anche Topson decide di andare via dall'abitazione di Basil per trovare la propria, visto che il caso è chiuso. Proprio quando sta per andare, una cliente si presenta alla porta di Baker Street per chiedergli disperatamente aiuto. Basil e Topson decidono dunque di restare uniti e iniziano ad indagare al nuovo caso insieme.