Zoé, Matthéo et Armande Chabons sont en vacances dans un château dont l'oncle de Zoé est le gardien. Un portrait de Hortense de Mérignac est volé dans la salle des trésors. Les deux détectives en herbe reprennent du service, assistés par leur professeure et le capitaine Massarelli. Ils découvrent que trois toiles représentant la même femme ont été volées récemment dans plusieurs musées.