宇宙の彼方ケロン星から地球（ペコポン）を侵略するための尖兵として、地球で隠密行動をとっていたケロロ軍曹（声：渡辺久美子）らケロロ小隊。ケロロが地球人の日向家に潜伏していたところ、冬樹（川上とも子）と夏美（齋藤千和）にケロボールを奪われ、本隊は一時撤退。地球に取り残されたケロロらは、日向家に居候していた。インカ帝国の遺跡マチュピチュを訪れた冬樹とケロロ小隊。オカルト好きの冬樹は大喜びだが、ケロロの頭の中は地球侵略のことで溢れていた。彼らはそこで迷路のような遺跡を発見するが、トラップに引っかかり脱出を余儀なくされる。そんななか、冬樹は一瞬、迷路の中にたたずむ一人の少女（福田沙紀）を見かける。少女の謎を抱えたまま東京に帰ってきた冬樹とケロロたちの前に、最強の敵が現れる。姿はケロロとそっくりだが、ケロロと違って迅速かつ冷徹に地球侵略を企てる“ダークケロロ”だ。彼はシヴァヴァ（高山みなみ）、ドルル（ルー大柴）、ミルル（堀江由衣）という優秀な部下たちを引き連れ、世界各地で侵略を開始する。ケロロ小隊はそれを迎え撃つことになる……。