Anna Akechi est une collégienne de 14 ans en deuxième année qui vit dans la ville de Makoto Mirai. Le jour de son anniversaire, guidée par la fée Pochitan et par un pendentif qu’elle découvre dans sa chambre, elle effectue un voyage temporel et passe de 2027 à la ville de Makoto Mirai en 1999.
Là, elle rencontre Mikuru Kobayashi, une jeune fille de 14 ans qui rêve de devenir détective. Peu après, un vol se produit : quelqu’un se fait dérober un objet qui lui est précieux. Pensant que la « Guilde des Voleurs Fantômes » pourrait être responsable, et animées par le sentiment qu’« on ne peut pas ignorer quelqu’un en difficulté », Anna et Mikuru se transforment en Cure Answer et Cure Mystique.
Ensemble, elles deviennent les Star Detective Precure et dirigent l’agence de détectives CUREtto, résolvant des mystères tout en cherchant un moyen pour Anna de retourner à son époque d’origine.