ライムシティ。
警察署に向かったティムは、父ハリーの同僚だったヒデ・ヨシダ警部補（渡辺謙）に会い、彼のパートナーのポケモンで、怒っているように見えるブルーが気になる。
ティムは、父と共にパートナーのポケモンも死んだことをヨシダから知らされ、アパートの住所を教えてもらい鍵を受けとる。
アパートに着いたティムは、そこにいたポケモンのコダックが気になり、自分のパートナーだと言うルーシー・スティーヴンス（キャスリン・ニュートン）が、CNMの新人記者だと知る。
ハリーのことを調べていたルーシーは、交通事故とは思えないとティムに伝える。
ルーシーの話に興味がないティムは、ハリーの部屋に向かい、その場にあったカプセルのガスを吸ってしまう。
ティムが窓を開けてガスは外に噴出し、それを吸ったポケモンのエイパムは凶暴化する。
自分宛ての手紙と電車のチケットを見つけたティムは、父が自分のために部屋を用意し、一緒に暮らすつもりだったことを知る。
祖母（ジョゼット・サイモン）に預けられて暮らしたティムは、母親の死をきっかけにポケモン・トレーナーになる夢を諦め、父とは疎遠だった。
誰かいることに気づいたティムは、それがポケモンのピカチュウ（ライアン・レイノルズ）だと知り、彼がしゃべったために驚く。
そこにエイパムが現れ、襲われたティムはピカチュウと共に逃げる。
屋上のシュートから地上のゴミ箱に滑り落ちたティムは、叫びながら逃げるものの、エイパムは元に戻る。
ピカチュウの言葉が自分にしか理解できないことを知ったティムは、ガスのせいだと思う。
ティムは、記憶を失っているピカチュウが父のパートナーだと知りショックを受ける。
自分を優秀な探偵だと思い込むピカチュウは、ハリーを捜すことをティムに伝える。
ティムからハリーは死んだと言われたピカチュウは、それを信じようとせず、遺体が見つかっていないことを指摘し、自分も死んだと報告されているはずだと伝える。
ピカチュウに説得されたティムは、仕方なく彼と共にアパートに戻る。
ティムから、11歳の時に母親が死んだ話を聞いたピカチュウは、彼に同情する。
翌日、ヨシダに会いに行こうとしたティムは、ピカチュウが一晩中、事件を調べていたことを知る。
ティムは、ガスのカプセル”R”を見つけたピカチュウから、昨晩のエイパムの行動と関係があると言われて納得する。
ピカチュウは、極秘情報を知ったハリーは何者かの指示で消されたのかもしれないと考え、彼の足取りを探るカギはこの部屋にあるとティムに伝える。
ルーシーに会うことにしたティムは、ピカチュウと共にCNMビルに向かう。
スタジオに向かったティムは、ハワードと共にポケモンパレード開催発表の収録をするロジャーが傲慢な男だと知り、その場にいたルーシーに”R”のカプセルを見せる。
ここではまずいと言うルーシーの、物置のようなオフィスに向かったティムは、数本の同じカプセルを見せられる。
ルーシーから、ハリーが情報屋と会っていた港を調べて見つけたと言われたティムは、ピカチュウとその場に向かう。
港に着いたティムとピカチュウは、パントマイムが得意なポケモンのバリヤードが情報屋だと気づく。
カプセル”R”のことを訊いたピカチュウとティムは、バリヤードがハリーと話せたと考え、彼を脅して、”R”があった場所の手掛かりを入手する。
ティムとピカチュウは、違法ポケモンバトル場に向かう。
その場にいたハワードの秘書ミス・ノーマン（スキ・ウォーターハウス）は、ティムとピカチュウが現れたことをメールで知らせる。
ピカチュウに気づいたセバスチャン（オマール・チャパーロ）は、以前、自分のポケモン、リザードンが彼に負けたことを思い出す。
セバスチャンは、自分から話を聞きたい様子のティムに、リザードンとピカチュウを再戦させるのを条件に話をすることを約束する。
余裕だったピカチュウは、リザードンが”R”を吸って凶暴になったために焦る。
ティムからボルテッカーを使えと言われたピカチュウだったが、やり方を忘れてしまう。
リザードンに襲われたピカチュウを、ティムが助けようとする。
乱入したセバスチャンが倒れた拍子に、”R”のカプセルが割れてガスが噴き出す。
会場にいたポケモンはガスを吸って凶暴化し、セバスチャンを脅したティムは、”R”の出所はアン・ローラン博士（リタ・オラ）だということを聞き出す。
コイキングがギャラドスに変貌し、吐き出した水でその場から流し出されたティムとピカチュウは、駆け付けた警官に逮捕される。
ヨシダと話したティムは、ピカチュウが無事なら父も無事だという考えを伝える。
父が薬物を探っていたと話すティムは、ヨシダに再捜査を要求し、ピカチュウと話せることも伝える。
それを信じようとしないヨシダは、監視カメラに映るハリーの事故の瞬間の映像を見せながら、この状態では生存は不可能だとティムに伝える。
署を出たティムは、かつて父から一緒に住むことを誘われた時を思い出し、そうしていればよかったと後悔しながらピカチュウに話す。
ティムを気遣うピカチュウは、ハリーが死んだのは、君のせいでなく誰も悪くないと伝える。
ティムは、ピカチュウが記憶を失った理由を突き止めようとする。
そこにミス・ノーマンが現れ、ティムとピカチュウはCNMビルに連れて行かれる。
ティムとピカチュウはハワードに迎えられ、ハリーが彼の依頼で捜査をして、”R”の出所を調べていたことを知る。
ポケモンと人間の最終的な協力関係を築くと言うハワードは、ロジャーがポケモンを憎んでいることをティムに話す。
ロジャーは自分が築いたものを壊したいと言うハワードは、すべてを操れる息子ではなく、信頼できるのはハリーだけだとティムに伝える。
ハワードからハリーを捜してほしいと言われたティムは、死んだことを知らないのか彼に尋ねる。
ハリーは生きていると言うハワードは、最先端のホログラムで事故現場をその場に映し出す。
ピカチュウと共にハリーが車から脱出する様子を見たティムは、その場に現れたミュウツーが、現場のピカチュウの記憶を消し、ハリーを連れ去ったことを知る。
ハワードは、ミュウツーを捜しハリーを見つけるようティムに指示する。
カフェでルーシーに会ったティムは、ロジャーに接触してパソコンにアクセスした彼女が、ポケモンの遺伝子研究施設”PCL”の場所を突き止めたことを知る。
PCLが先週、事故で停止状態だと話したルーシーは、それがハリーの消えた日だとティムに伝える。
ティムとルーシー、そしてピカチューとコダックはPCLに向かう。
ルーシーは、ポケモンの神経学者ローラン博士のことをティムに話し、目的地に到着して施設に侵入する。
無人の施設内には、実験用ポケモンのッコウガやドダイトスが残されていた。
監視カメラでティムらの侵入を知ったロジャーはPCLに向かい、遠隔アクセスを始める。
ピカチュウは、ローラン博士のステーションに気づきティムはそれを作動させる。
ホログラムが映し出され、ティムとピカチュウは、ローラン博士がミュウツーを利用し、血清”R”を開発して事故が起きたことを知る。
実験の初日から見たティムとピカチュウは、ハリーが実験用のミュウツーの捕獲に手を貸したため、その復讐で襲われたことも知るものの、ティムはそれを信じようとしない。
ティムとピカチュウは、ゲッコウガに捕らえられていたルーシーを助けて施設から脱出し、コダックの念力波で追跡を逃れる。
それにより幻覚が起きて大地が動き出し、地割れで離れてしまったティムとルーシーは、何とか助かる。
巨大なドダイトスが現れ、森ではなくドダイトスの庭だと気づいたティムらは、落石を受けたピカチュウらと共に川に落下する。
水から上がったティムは、瀕死のピカチュウを救おうとして、現れたポケモンのフシギダネに助けを求める。
ルーシーと別れたティムは、フシギダネとネマシュに導かれ、ある場所にピカチュウを寝かせる。
フシギダネとネマシュはその場を去り、ティムは、ミュウツーが現れたために驚く。
ピカチュウを治したミュウツーは、”約束通り息子を連れて来た”と伝えて、ティムに、PCLでピカチュウが自分を逃がしたことをホログラムで教える。
その時、ミュウツーは現れたロジャーに捕らえられる。
自分がハリーを裏切ったことを知ったピカチュウはショックを受け、それを気にしないティムの話を聞こうとせず、彼と別れる。
ライムシティに戻ったティムは、真相を市民に伝えるようルーシーに指示し、ハワードの元に向かう。
ルーシーは、CNMのリポーターに、市民に伝えてほしいことを話そうとするが、相手にされずある考えが浮かぶ。
事故現場の橋にいることに気づいたピカチュウは、そこにゲッコウガがいた痕跡を見つける。
ロジャーの命令でゲッコウガがハリーを追跡し、ミュウツーが自分たちを助けたことに気づいたピカチュウは、ハワードがホログラムを見せた理由を考え、危険が迫るティムの元に向かう。
現れたティムの前で、ニューロリンク（精神転送装置）を使いミュウツーに精神を転送したハワードは、ハリーが今回のことを探り始めたために殺したことをティムに話す。
パレードは始まり、リポーターに扮して市長と話そうとしたルーシーは、ロジャーが現れたためにその場を離れる。
ハワードは、人類の進化を見つけたとティムに話し、錯乱状態のポケモンに人間の魂を移す能力がミュウツーにはあり、”R”がそれを可能にすることをティムに伝える。
パレードの風船に”R”を充満させていることに気づいたティムを痛めつけたハワードは市民の元に向かい、ポケモンがさらに進化し融合することを伝える。
ミュウツー（ハワード）は風船の”R”を噴出させ、ポケモンは凶暴化し、応援を呼ぼうとしたヨシダはブルーに襲われる。
マイクを握るルーシーは、ポケモンにガスを吸わせないようにと訴えるものの、ミュウツーに襲われる。
街に着いたピカチュウは、コダックからハワードがミュウツーだと知らされる。
ピカチュウは、ボルテッカーを使てハワードに立ち向かう。
拘束されていたロジャーを見つけたティムは、ハワードのポケモン、メタモンが、ミス・ノーマンやロジャーに姿を変えていたことを知る。
ティムを痛めつけるメタモンは、ミュウツーの指示で彼を地上に落とそうとする。
ビル屋上に落下していたピカチュウは、ティムに助けを求められ、ボルテッカーでミュウツーに反撃する。
ティムは、メタモンを突き落としたロジャーに助けられる。
戻ったメタモンに襲われたティムは、”R”を吹きかけて撃退する。
ミュウツーはピカチュウを捕らえるが、ティムがハワードのニューロリンクを外す。
落下したピカチュウは、元に戻ったミュウツーに救われ、ティムに謝罪して、パートナーだということを確認する。
ミュウツーは上空に向かい、”R”を消滅させる。
姿を消されていたルーシーら市民は元に戻る。
ハワードは逮捕され、罪悪感を感じるロジャーは、父と心通じ合うことができなかったとティムに話す。
ロジャーは、今回の件を追っていたルーシーに、調査報告を放送することを伝える。
ティムと共にそれを喜ぶルーシーは、準備のためにビルに向かう。
ミュウツーから、捜していた父は近くにいたと言われたティムは、ピカチュウを気にしながら、事故の際のホログラムを見せられる。
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正しい人間がいたことを知ったミュウツーは、亡くなったハリーの魂をピカチュウに移した。
ハリーの息子ティムを連れてくるようピカチュウに指示したミュウツーは、記憶を消して、ハリーの身体を預かった。
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ある男性（ライアン・レイノルズ）に姿を変えた父ハリーと再会したティムは、祖母の元に向かう電車のチケットを渡される。
一緒に暮らす考えをハリーに伝えたティムは賛成してもらい、チケットをゴミ箱に捨てる。
ティムはハリーとピカチュウをカフェに誘い、何の仕事をしたいか尋ねる父に、探偵でもしようかと思うと答える。
