Экспедиция с Земли в составе капитана Зелёного, профессора Селезнёва и его дочери Алисы отправляется на корабле «Пегас» на поиски новых видов животных для Московского зоопарка. По совету археолога Громозеки, они ищут в этом помощи доктора Верховцева, директора музея Двух Капитанов. Но доктор ведёт себя подозрительно: не показывает им дневники капитанов, и начинает за ними следить.
На планете Блук герои делают ценные покупки, в том числе — Говоруна, птицу, принадлежавшую пропавшему без вести капитану Киму. Подозрительный толстяк Весельчак У пытается похитить птицу. Выслушав речь Говоруна, экипаж «Пегаса» берёт курс на систему Медузы. По дороге герои спасают роботов планеты Шелезяка от подсыпанной в смазку алмазной пыли.
На третьей планете системы Медуза Алиса находит «зеркала» — цветы, запоминающие и отображающие всё, что перед ними происходило. С помощью зеркал герои обнаруживают, что на планете находятся Верховцев и Весельчак. При попытке перелететь в безопасное место, «Пегас» проваливается в ловушку. Селезнёв и Зелёный попадают в плен к пиратам, Алисе удаётся бежать.
На планету приземляется капитан Буран, а с ним — настоящий Верховцев. Алиса просит их о помощи. Тем временем Весельчак, угрожая убийством пленников, требует у капитана Кима, запершегося в своём корабле уже несколько лет, формулу абсолютного топлива. Вторжение Бурана спасает героев. Двойник Верховцева, Глот, разоблачён. Весельчак при попытке к бегству попадает в лапы хищной птицы Крок, Капитаны и исследователи спокойно возвращаются по домам.

В сцене, когда после возвращения Алексея из Испании жена видит у него след от ранения на спине, оно (ранение) настоящее — Юматов был ранен во время Великой Отечественной войны.
Занимает по посещаемости 31-е место среди отечественных фильмов за всю историю советского кинопроката.
Одна из самых известных сцен возле некоего военного ведомства, где находился кабинет генерала Варравы, на самом деле снималась возле входа в Химический факультет МГУ.