Злой разбойник, именем которого давно пугали детей, сидит в тюрьме под охраной Гиппопотама. Друзья-пираты помогают своему главарю сбежать, но Гиппопотам тайком проникает на их корабль и старается выведать планы злодеев. В это время тётушка Варвара, сварливая сестра доброго доктора Айболита, уходит от брата, заявляя, что ненавидит зверей, которых любит и лечит доктор. По воле случая Варвара попадает на пиратскую шхуну. Шхуна причаливает к берегам Африки, где разбойники устраивают для зверей представление «Муха-Цокотуха» (партию Мухи исполняет Варвара), а затем раздают отравленное угощение, и все звери заболевают. Гиппопотам, который всё видел, звонит в Ленинград Айболиту.

Доктор с друзьями — попугаем Карудо, собакой и совой — отправляются в путь; добраться до Африки им помогают Кит и Орлы. Тогда Бармалей приказывает Крокодилу проглотить солнце. Айболит, однако, зажигает факел, прилетает, наконец, в Африку и всех вылечивает. Медведь вызывает Крокодила-обидчика на бой и побеждает: солнце вылетает из пасти обратно на небо. Разбойники ещё некоторое время пытаются запугать зверей Великаном-Тараканом, но верный Воробей доктора склевывает усача. Бармалей сдается. Айболит и звери решают помиловать злодея и берут его в далекий Ленинград. Перевоспитавшиеся пираты и Варвара тоже уезжают с ними.