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《羊羊小侦探》罕见地以悬疑推理为题材，让狼羊化身侦探在剧中继续斗智斗勇。该剧的创作团队提到：“这是喜羊羊系列一个全新的尝试，通过紧张刺激的案件带入实用的生活小常识，让观众在破案过程中思考，又能从剧情进展中获得欢乐。"这部剧集推理、解谜、悬疑于一身，奇妙的科学知识，神奇的自然现象，丰富的生活常识层出不穷，悬疑与爆笑轮番轰炸
大侦探牧牧要来青青草原，羊村举办欢迎会来迎接他，但是在会上突然发生爆炸事件。喜羊羊决定当牧牧的助手，帮它一起破案。最后，喜羊羊发现原来是酸奶放在阳光下，乳酸菌发酵才引起的酸奶盒爆炸。
灰太狼想用裁决手环抓住懒羊羊，结果反被手环惩罚。喜羊羊当上小侦探，希望帮助大家，结果大家是让他帮忙干体力活。灰太狼有手环可以随意进出羊村，它看到懒羊羊偷吃蛋糕，立马用手环抓住懒羊羊，结果是反被手环惩罚。
森林遭到破坏，村长让喜羊羊找出破坏环境的真凶。喜羊羊发现原来的狼堡变成了五星办事处。它们想去狼堡调查真凶，结果发现他们没有办法进去。喜羊羊想尽办法终于进去，原来是灰太狼破坏了环境。
大家都来找喜羊羊破案，喜羊羊快忙不过来，这时灰太狼赶来帮忙，大家发现灰太狼破案很厉害，都找灰太狼帮忙。灰太狼告诉喜羊羊他为了破案，制造出机器人灰太狼，这下大家都分不清谁是真正的灰太狼。喜羊羊想尽办法终于分清谁是真正的灰太狼。
黄鼠狼总是乱涂乱画，喜羊羊请灰太狼帮忙抓住黄鼠狼。本以为已经把黄鼠狼抓住了，但是还是被他逃脱了。最后，喜羊羊和灰太狼合作终于把双胞胎黄鼠狼抓住了。
美羊羊在研究各种菜谱，准备参加美食大赛。美食大赛现场美羊羊和料理鼠的菜一模一样，裁判决定第二天再比赛一场。美羊羊花尽心思准备比赛，而料理鼠却偷了美羊羊的食谱。喜羊羊想尽办法终于找出来料理鼠偷看的证据。
喜羊羊与沸羊羊采摘红红果，为美食庆典做蛋糕。蛋糕做成后，懒羊羊负责看守，结果第二天蛋糕就没有了。灰太狼抓走了懒羊羊，喜羊羊找到了新线索证明是灰太狼偷走了红红果蛋糕。
灰太狼弄坏了红太狼的皇冠，担心受责的他欺骗说家里来了小偷，皇冠被偷。红太狼责令灰太狼找回皇冠，后者却一直敷衍。红太狼从电视学习了推理，决定自己找回皇冠。但是灰太狼趁机抓住喜羊羊令他拍摄不了关于推理的节目，红太狼能否靠线索找出谁是偷皇冠的小偷吗？
森林遭到砍伐，村长慢羊羊和刀羊成了通缉犯。村长和刀羊组成“最强组合”想要调查真相，喜羊羊也希望帮助他们洗清嫌疑
小灰灰想当小侦探，灰太狼担心其危险，带着小灰灰去钓鱼，但不管到哪里，总能在附近碰到正在查案的喜羊羊。灰太狼决定在喜羊羊之前把案破掉，于是偷偷跟踪起喜羊羊。
灰太狼诬陷喜羊羊等伤害小蛇，二话不说将他们抓走。村长判断喜羊羊救的是蛇皮，美羊羊决定要找到蛇皮的主人，证明喜羊羊等人的清白。而怕蛇的美羊羊一见到蛇的图片或者带电线的插头就害怕，她能否克服害怕蛇不再杯弓蛇影吗？
牧牧搬到灰太狼家，灰太狼一心想着捉羊，所以得事先支开牧牧。灰太狼假造犯罪现场，让牧牧去查案，自己偷偷捉羊。但是牧牧调查时遭遇雪崩，过意不去的灰太狼决定去搜救牧牧。
沸羊羊替暖羊羊求得扁嘴伦的签名，但是扁嘴伦用的是墨鱼汁签字，很快纸上的签名不见了，沸羊羊很伤心。喜羊羊不知道情况，决定查查这消失的签名。
黑衣大盗先后偷走了红太狼和灰太狼的甜蜜果果汁，喜羊羊调查发现猪老板专门售卖甜蜜果果汁。另一边，灰太狼和红太狼为了挣到买果汁的钱，拼命打工。喜羊羊调查发现甜蜜果树每次只结一次果，只能做一瓶果汁，这个猪老板有很大嫌疑
袋鼠拳王每次比赛都要带着幸运拳套。这次比赛，沸羊羊去找拳王签名，结果被误认为他偷了袋鼠拳王的拳套。喜羊羊带着沸羊羊去寻找真相，原来是袋鼠拳王练习时，被荆棘勾住拳套，而拳套是毛线织的，结果拳套就全部散开了。
牧牧大侦探指出是大犀牛偷吃了手抓饼，因为他的鼻子很灵敏，能闻出吃的东西。黄鼠狼发生失踪案，牧牧要喜羊羊去破案。牧牧在追踪发出臭味的东西，把鼻子碰坏了，现在闻不到东西。最后，牧牧因为闻不到味道，成功抓住了小黄鼠狼。
喜羊羊被误认为偷吃了懒羊羊的香蕉被灰太狼带走了。懒羊羊发誓要帮喜羊羊证明清白，懒羊羊做了一个很漂亮的蛋糕，想勾引食物小偷。结果发现原来是自己睡着了，半夜起来偷吃了香蕉。
羊羊和灰太狼帮牧牧摘果子，到了晚上，牧牧发现灰太狼晕倒在房间里。灰太狼说了句“杨”，牧牧以为是喜羊羊他们打了灰太狼。喜羊羊到案发现场分析情况，发现是灰太狼吃了酸杨梅，想喝水却踢到了脚，结果痛的跳上天花板并撞上晕倒了。
大家都有奖牌，就沸羊羊没有，他决定要保护好喜羊羊，这样才能获得奖牌。沸羊羊想尽办法保护喜羊羊却总是被误会。这次喜羊羊被犀牛抓走了，被绑在定时炸弹上，沸羊羊赶紧去救他。
牧牧请大家吃冰淇淋蛋糕，结果被灰太狼一口气吃掉却病倒了，牧牧把自己抓起来，并想让出大侦探的位子。喜羊羊觉得没有这么简单，决定要找出真相。原来牧牧用干冰给蛋糕保鲜，灰太狼吸入大量二氧化碳才晕倒的。
