В произведении Тайна старинной миниатюры главным героями становятся школьники Костя и Маша, которые одновременно выступают в роли юных сыщиков. Всё начинается с того, что на пожилого сотрудника музея Петра Ильича совершается нападение прямо в подъезде его дома. Пётр Ильич оказывается тяжело ранен, что вызывает беспокойство у окружающих и становится отправной точкой для расследования. Костя и Маша не могут оставаться в стороне и решают самостоятельно выяснить обстоятельства произошедшего. В ходе расследования они обращают внимание на старинную миниатюру, которая, как кажется, связана с преступлением. Поиски ответов приводят детей к изучению истории миниатюристов XVII века в Европе, что помогает понять, каким образом этот древний предмет искусства оказался в современности.

Происходит соприкосновение с жизнью и работой знаменитых художников того времени, а также вскрываются обстоятельства, почему преступник так настойчиво охотится за этой миниатюрой. В произведении сочетаются элементы детективного сюжета с историческими сведениями, что позволяет следить за развитием событий и попытками главных героев преодолеть трудности в поисках истины. При этом Костя и Маша сталкиваются с необходимостью принимать важные решения, связанные с безопасностью и правильностью своих действий. Всё это разворачивается на фоне учебы и обычной жизни школьников, что придаёт сюжету дополнительную реалистичность. В основе сюжета лежит конфликт между стремлением раскрыть тайну и угрозой, связанной с преступником, а главные персонажи пытаются найти выход из сложной ситуации, не имея опыта взрослых детективов. В конце этого процесса изменяется ситуация вокруг миниатюры, а также отношения между героями и миром искусства, с которым они соприкасаются.