Der Film beginnt mit einem Einbruch in ein Museum; die Einbrecher stehlen eine kostbare Perle und ersetzen sie durch ein täuschend echt aussehendes Duplikat. Der herbeigerufene Museumsdirektor weist auf eine Serie ähnlicher Vorfälle in anderen Museen hin.
Anschließend treffen der junge Reporter und Amateurdetektiv Tim, sein kleiner Hund Struppi und beider Freund Kapitän Haddock auf dem Flughafen in Syldavien ein, wohin sie der etwas schusselige Professor Bienlein eingeladen hat. Gemeinsam mit Schulze und Schultze, die in geheimer Mission unterwegs sind, besteigen sie ein Lufttaxi. Kurz vor der Ankunft fällt einer der Motoren des Flugzeuges aus und der Pilot steigt mit einem Fallschirm aus. Tim gelingt es mit Mühe, das Flugzeug an einem Berghang notzulanden. Mit Hilfe der sich zufällig in der Gegend befindlichen Geschwister Niko und Nuschka sowie Gustav, dem Hund der beiden Kinder, schaffen es die Notgelandeten, aus der brennenden Maschine zu entkommen, bevor diese in eine Schlucht stürzt.
Mit dem kleinen Eselwagen der beiden Geschwister setzen sie ihre Reise fort und treffen Bienlein in seiner Villa am zwischen Syldavien und Bordurien gelegenen Haifischsee. Der Professor berichtet von seiner neuesten Erfindung, einer 3D-Kopiermaschine, mit der von einem Gegenstand eine exakte Kopie erzeugt werden kann. Die Schultzes sind zum Schutz des Professors angereist und berichten von der eingangs erwähnten Einbruchserie.
Am nächsten Tag entdeckt Tim in der Umgebung eine Grotte mit zahlreichen gestohlenen Kunstschätzen. Niko und Nuschka werden von Tauchern entführt, die durch eine Tonbandnachricht fordern, Tim solle in zwei Tagen am See mit der Erfindung des Professors warten. Tim verständigt heimlich die Polizei und lässt das von Professor Bienlein konstruierte Haifisch-U-Boot heranschaffen. Damit soll ihm der Kapitän zusammen mit Struppi folgen.
Wie Tim es geahnt hat, holen ihn die Verbrecher mit einem U-Boot ab und bringen ihn in den Verbrecherstützpunkt, der in einer versunkenen Stadt errichtet ist. Tim wird zum „Großen Hai“, dem Chef der Organisation, gebracht, der sich als Tims Erzfeind Rastapopoulos entpuppt. Rastapopoulos will mit Hilfe des Kopiergeräts die geraubten Kunstschätze duplizieren, um noch mehr Geld als bisher zu machen, muss aber feststellen, dass das Gerät nicht korrekt funktioniert, und wirft Tim zu den Geschwistern in ein Verlies.
Als Rastapopoulos erfährt, dass die Polizei den See mit einem Patrouillenboot absucht, lässt er den Unterwasserstützpunkt fluten und flieht selbst in einem U-Boot. Tim und die Geschwister schaffen es jedoch, sich zu befreien und unbeschadet an die Wasseroberfläche zu gelangen. Durch die nachfolgende Explosion des Unterwasserstützpunkts und die dadurch ausgelöste Flutwelle werden sie auf das Patrouillenboot der Polizei gespült. Die Polizei nimmt die meisten Verbrecher fest.
Nur Rastapopoulos wird die Polizei nicht habhaft, da dieser sich nun auf der bordurischen Seite des Sees befindet. Tim und Kapitän Haddock folgen dem U-Boot mit einem Motorboot und haben Glück: Rastapopoulos ist mit seinem U-Boot gestrandet. Tim und der Kapitän schaffen es, ihn zu überwältigen und zurück auf die syldavische Seite des Sees zu bringen, wo sie ihn der Polizei übergeben. Die Anwohner des Sees richten derweil zu Ehren von Tim und seinen Freunden ein Fest aus.