C'est les vacances, et tout va bien pour Marinette… jusqu’à ce qu’elle apprenne qu'Adrien a dû partir avec son père pour Shanghai, en Chine. Heureusement, c’est là qu’habite son Oncle Wang, dont l’anniversaire approche. Pour retrouver Adrien et découvrir ses origines, Marinette décide d’aller donner en mains propres son cadeau à Oncle Wang. Mais peu après son arrivée, Marinette perd toutes ses affaires, dont son sac, Tikki… et le Miraculous de la coccinelle qui lui permet de devenir Ladybug ! Pour les retrouver, elle va faire équipe avec Fei, ignorant que c'est celle qui a volé ses affaires !...

La classe de Marinette doit se rendre à New York, la ville des super héros, pour la semaine de l'amitié franco-américaine. Ladybug demande à Chat Noir de veiller sur Paris… mais quand Marinette convainc Gabriel de laisser son fils partir avec ses camarades, Adrien a un problème. Étant également Chat Noir en secret, il ne peut pas à la fois veiller sur Paris et être avec sa classe à New York. Comment faire ? De plus, Il y a une chose que Ladybug et Chat Noir ignorent : Papillon se prépare lui aussi à voyager ! Il se pourrait bien que les super héros américains aient besoin d'un peu d'aide !...

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Des porteurs de Miraculous venus d’un autre monde surgissent dans la ville de Paris. Ils viennent d’un univers parallèle où tout est inversé : Toxinelle et Griffe Noire, les alter égos maléfiques de Ladybug et Chat Noir sont les méchants et le porteur du Papillon, Hesperia, est un super-héros. Ensemble Ladybug et Chat Noir – les vrais – vont devoir aider Hespéria à contrer les attaques de leurs doubles maléfiques et les empêcher de s’emparer du Miraculous du Papillon. Mais nos héros pourront-ils aider Hesperia à faire de Toxinelle et Griffe Noire de meilleures personnes ?...

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La super-héroïne, qui a conquis le cœur de millions de fans à travers le monde, débarque pour la première fois au cinéma ! Ladybug va devoir unir ses forces avec Chat Noir, le charismatique justicier masqué qui n'a pas sa langue dans sa poche, pour affronter le Papillon et sa horde de super-vilains, alors que ceux-ci menacent de détruire Paris. Mais, alors que les deux héros se rapprochent, Marinette ignore que derrière son mystérieux complice se cache Adrien, le camarade de classe dont elle est amoureuse...