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Paris, 1888. La petite Pétronille, âgée de six ans, découvre avec émerveillement la ville lumière. Elle vit dans le maquis de Montmartre dans une famille d'accueil, Les Roublot. Couple de crapules, ceux-ci enseignent à la petite fille les bases du cambriolage. La nuit, ils l'obligent à s'introduire dans des maisons bourgeoises et, le jour, ils la laissent livrée à elle-même. En explorant le quartier, Pétronille fait la connaissance de trois jeunes garçons : Evariste, Félix et Eustache.
Ces derniers, un peu plus âgés qu'elle, font des acrobaties et du jonglage au son de l'orgue avant d'en appeler à la générosité des badauds. Fascinée, Pétronille sympathise avec eux. Un jour, elle apprend que les Roublot et trois truands du quartier préparent un mauvais coup : ils projettent de voler à un inventeur, le professeur Pipolet, les plans d'une machine qu'il veut vendre à un jeune industriel.
Comprenant que les bandits ont l'intention de supprimer l'inventeur après l'avoir dépouillé, elle décide de faire appel à ses nouveaux amis pour empêcher ce crime d'avoir lieu...