Фильм повествует о мальчике, которого зовут Аояма. Учится он в четвертом классе. Четвероклассник очень умный и интересующийся мальчик. Парнишка ведет свой дневник, где отмечает события, которые вызывают его интерес. Но как-то раз, в спокойную и устоявшуюся жизнь мальчика врываются события, которые поменяют его жизнь. Неожиданно в городе появляются пингвины. Откуда они взялись, является загадкой для мальчика. Никто, как и парнишка, не может понять, как в городе оказались пингвины, ведь море слишком далеко от города.

Любознательный четвероклассник решает выяснить, в чем дело, и берется за расследование этого загадочного явления. Далее, сюжет фильма «Тайная жизнь пингвинов» ведет зрителя вместе с ищущим ответы на свои вопросы мальчуганом, к стоматологической клинике. Именно в эту клинику привело начавшееся расследование школьника. Там, мальчик знакомится с необычной девушкой, которая работает медсестрой. То, что у девушки есть определенный дар, мальчик увидел собственными глазами, когда девушка выбрасывает баночку с напитком, та немедленно превращается в живого пингвина. События продолжаются, когда в городе возникает странная сфера неземного происхождения. Какие еще загадочные события ждут мальчика впереди?