全世界3000万部を超える人気児童書「おしりたんてい」の長編劇場版アニメ3作目

名探偵おしりたんていと宿命のライバルである大泥棒かいとうUがタッグを組んで事件に挑む。 「アイドルコンテストから失踪した親戚を捜してほしい」とコアラちゃんから依頼された、おしりたんてい。コンテスト会場のあるスターダス島は、国際犯罪組織「かいとうアカデミー」の本部がある場所でもあった。おしりたんていは、ワンコロけいさつからの捜査依頼も受けて、アイドルを装ってスターダス島に潜入することに。一方、同じ頃、大泥棒かいとうUも、スターダス島の地下に潜むアカデミーの本部に迫っていた。かいとうUは、アカデミーから「月光石」という秘石を取り戻そうとしていた。アカデミーの企みを阻止するため、おしりたんていとかいとうUは一時的に協力することになるが……。

映画公開と同時期の2025年3月刊行の原作本「おしりたんてい　たいけつ！かいとうアカデミー　スターサイド」「おしりたんてい　たいけつ！かいとうアカデミー ムーンサイド」のストーリーに、映画オリジナルの要素も加えて描く。