В Средней Азии трое преступников похищают золотой шлем Александра Македонского с места раскопок археологической экспедиции. Заявив в Москве в милицию, глава экспедиции профессор Мальцев (Эраст Гарин) случайно сталкивается в автобусе с человеком, как две капли воды похожим на главаря преступников — бандита по кличке «Доцент». Им оказывается милейший человек, заведующий детским садом Евгений Иванович Трошкин (Евгений Леонов), участник Великой Отечественной войны, талантливый педагог и неплохой артист. Недоразумение тут же разъясняется, но о Трошкине вспоминают позже: всех троих воров поймали и осудили, но шлема у них не нашли. Сотрудники милиции уговаривают заведующего детсадом воспользоваться сходством с целью найти похищенный шлем. Трошкин долго не соглашается, но крайне настойчивые сотрудники милиции и лично профессор Мальцев в конце концов переубеждают его…
Трошкин направляется в Среднюю Азию, в одну из колоний, где сидят подельники Доцента — Косой и Хмырь. Лже-Доцент, по легенде, ударился головой и частично потерял память: забыл, где спрятан шлем. Но вот беда — Косой и Хмырь мало что знают о связях и планах Доцента. Не являясь москвичами, при всём желании они не могут назвать места, где побывал Доцент и где они в последний раз видели шлем. Надо ехать в Москву, «показывать пальцем». Сотрудники милиции готовят «побег» для троицы, далее Трошкин должен привезти их в Москву, чтобы там продолжить «работу» на месте. Вместе с людьми Доцента убегает ещё один заключённый («Все побежали — и я побежал!»), мелкий расхититель социалистической собственности из Средней Азии Василий Алибабаевич. Его приходится взять с собой. Но побег идёт не по плану: заключённые сворачивают не туда и едут в цистерне с жидким цементом в незапланированном направлении. Они оказываются в незнакомом городе Новокасинск, без денег, документов и даже без верхней одежды. Находчивость Трошкина помогает им заработать (а сообщники уверены, что украсть) немного денег, чтобы хватило на одежду и гостиницу.
Наконец, связь с органами налажена, и все четверо добираются до Москвы, где сначала поселяются в старом доме, приготовленном к сносу, но из-за худого примуса, на котором Василий Алибабаевич готовил еду, случается пожар в доме, и тогда четвёрка уезжает на «дачу одного барыги» (на самом деле это дача профессора Мальцева). Возя́ своих двоих подручных и «одного лишнего» по Москве с милицией «на хвосте», Трошкин потихоньку обрисовывает круг общения настоящего Доцента. Но один из бывших сообщников Доцента не желает разговаривать, мотивируя тем, что «завязал», второй, гардеробщик, просит встретиться завтра, но проверив и убедившись, что это не настоящий Доцент, не выходит на встречу.
Кроме милицейского задания, Трошкин, уже добровольно, берёт на себя другую миссию: пробудить в ворах-рецидивистах совесть, попытаться заставить их переосмыслить прожитую жизнь. Только делать это Трошкину приходится, не выходя из образа закоренелого бандита и безжалостного убийцы.
Затем поступает срочное указание: операцию свернуть, так как настоящий Доцент сбежал из мест заключения и вскоре наверняка выйдет на своих подельников. Настоящий Доцент добирается до гардеробщика и просит его спрятать. Гардеробщик принимает его за ненастоящего, приходившего к нему, и пытается убить, но Доцент убивает его сообщника Митяя. Трошкин попросил остаться с «подельниками», чтобы встретить Новый год. На даче он решает раскрыться перед «подельниками», но опаздывает: услышав в очередной раз о зверствах Доцента, которые Трошкин придумывал экспромтом, и якобы совершённом им убийстве, те решаются на отчаянный ход — добровольно отдать себя в руки правосудия (воспитательные усилия Трошкина дали некоторый результат). Они оглушают его, связывают и бросают в доме. Сообразив в этот момент, где спрятан шлем, с которого всё началось, они отправляются к озеру, где их находит настоящий Доцент. Бандит заставляет Косого нырнуть за ним — археологическая ценность вновь попадает в руки Доцента. Далее близнецы встречаются на льду озера: Трошкин освободился и примчался на помощь своим новым друзьям.
Кровопролития удаётся избежать, поскольку подельники оглушают веслом сначала Доцента, а потом и Трошкина, решив, что «чем больше [Доцентов] сдадим — тем лучше». Затем к месту действия приезжает милиция. Настоящий Доцент арестован, приехавший вместе с милицией профессор Мальцев победно поднимает над головой найденный шлем… Милицейские машины разворачиваются и уезжают. Косой, Хмырь и Василий Алибабаевич в недоумении: почему милиция не арестовала и их? В это время одна из машин останавливается, и из неё выходит Трошкин — без парика и грима. Ничего не понимая («Обрили уже!»), «подельники» бросаются прочь, Трошкин бежит за ними и пытается всё объяснить.
