在藤田和日郎绘制《潮与虎》时，故事中出现了机关傀儡，当时他对此进行调查，认为非常有趣且可以写成长篇故事，在《潮与虎》完结后隔年，1997年3月决定朝马戏团的方向发展故事，并在4月到法国取材，5月拟出故事大纲。
《魔偶马戏团》将整个故事设计为一出马戏团表演，不时有旁白报幕，故事涉及到转世，时间跨度超过两百年。
背景
1772年，白银和白金兄弟从故乡中国前往布拉格学习炼金术，借此精进傀儡技术，两人遇见美女法兰西奴且都爱上了她。1782年，在法兰西奴答应与白银结婚后，忌妒的白金绑架法兰西奴。经过9年追查，白银在法国基伯龙发现法兰西奴，她因患病而被当地居民囚禁，白银为了救她而制造出炼金术的终极产物“柔石”，并以柔石造出生命之水，饮下此水者可延缓老化并获得强力的再生能力。然而在他完成时，法兰西奴已被烧死。之后白银四处流浪，曾短暂造访长崎，结识成濑正二郎，教导他医术和傀儡术。
1814年，白金以法兰西奴的形象制造出自动傀儡，并注入生命之水让它活动起来，但他意识到这个傀儡终究不是真正的法兰西奴，因为傀儡并不会笑，他制造了多个自动傀儡（后来的午夜马戏团）来逗法兰西奴傀儡开心，又制造出Zonapha病虫，将其释放到克罗格村，罹患Zonapha病者在发病时若不逗人发笑就会呼吸困难、生不如死，村中农妇露西尔就是受害者之一，只是两种方法都无法逗笑它。1820年，白银造访克罗格村并想解决白金犯下的错，衰老的他只能带着柔石投井自尽，让井水变成生命之水拯救村民，同时让村民成为“白银”，继承自己的记忆和知识，以及消灭自动傀儡的意志。柔石随后被藏在露西尔的女儿安洁莉娜体内。
1842年，成濑正二郎结识旅行至日本的安洁莉娜，两人互有好感并订下终身，之后正二郎喝下生命之水并改名为才贺正二。夫妻收了汀?麦斯特为养子，并将他取名为才贺贞义，正二还遇到了放弃寻找笑容的法兰西奴傀儡。1910年，安洁莉娜生下爱蕾诺。这家人遭到寻找柔石的自动傀儡袭击，安洁莉娜将体内有柔石的爱蕾诺交给法兰西奴傀儡保护，之后战死，法兰西奴傀儡保住了爱蕾诺，但遭生命之水溶解消灭。正二为了保护爱蕾诺，将她送往基伯龙给露西尔抚养。
1982年，正二造访基伯龙，发现爱蕾诺长期遭到洗脑，其后他得知贞义有了一个名为小胜的私生子。贞义的计划是诈死后将遗产留给小胜，并引发兄弟阋墙，消灭黑贺村的傀儡师一族。贞义的真实身份是白金，白金以生命之水将自己的记忆转移到年轻男童脑袋里，并自称汀?麦斯特，他计划再将记忆转移到小胜脑袋里，借此永生不死。然而此计划遭到正二阻止，正二摧毁了记忆资料，并请露西尔派出爱蕾诺保护小胜。
小胜之幕
身穿布偶装的加藤鸣海在街头发送麦秆马戏团的传单时遇见才贺胜，鸣海的Zonapha病发作，在他把小胜逗笑之后得救了。小胜即将继承“亡父”才贺贞义的巨额遗产，他的兄姊十分不满，便派傀儡师暗杀小胜，所幸爱蕾诺即时现身，她击败对手后表示自己会誓死保护小胜。小胜的叔叔才贺善治希望收养他，借此获得遗产，小胜因此被绑架到才贺豪宅。鸣海和爱蕾诺闯入豪宅救他，在激战之后，炸药炸毁了豪宅并引发火灾，鸣海在灾难中保护小胜，之后他不知所终，只留下断掉的左臂。
在序幕结束后，故事分为两个看似独立但互相交织的主线，分别叙述小胜和爱蕾诺加入仲町马戏团，以及鸣海和同伴四处攻打自动傀儡的过程。
马戏团篇
小胜和爱蕾诺试图上学并回归日常生活，他也希望爱蕾诺能做自己喜欢的事，两人一起加入濒临倒闭的仲町马戏团。他们在那里结识同伴，一起进行戏剧演出，让仲町马戏团的表演步入正轨，而在将展开大型演出时，因为遇到飞机失事而取消。小胜认为自己害死了鸣海并对此耿耿于怀，决定查清父亲为何将遗产留给自己。他回到才贺豪宅，发现才贺贞义计划将记忆转移到自己脑中，他还取得贞义留下的悬丝傀儡。小胜随后到了黑贺村，见到祖父才贺正二，得知贞义的计划并读取了白金的记忆。汀?麦斯特（无脸司令）自揭身份，在暗示自己有个为期两年的计划后便离去。小胜则开始特训，准备与他决战。
傀儡篇
失去左臂的鸣海被奇用生命之水救助，成为“白银”，丧失记忆的他被带到法国，并得知了傀儡与白银间的战争。他四处击破自动傀儡，并会见白银的领导者露西尔，表示自己愿意一起对抗自动傀儡及散播Zonapha病的午夜马戏团。鸣海等人踏上寻找柔石之旅，他在途中目睹太多孩童因Zonapha病痛苦不堪，只好戴上面具掩盖自己的感情。众人打探到午夜马戏团的下个目标在中国，在飞机上，鸣海等人遭到袭击，飞机迫降在仲町马戏团的帐篷前，但他与小胜和白银并未相认。鸣海等人抵达四川后，找到鸣海的师父梁剑峰，梁剑峰道出两百多年前的故事。接着鸣海等人追查到撒哈拉沙漠，与午夜马戏团厮杀，但他们最终发现统帅午夜马戏团的法兰西奴傀儡是冒牌货。
本篇
鸣海受到胡氏企业协助，知晓无脸司令的真实身份，并认为身为法兰西奴转世的爱蕾诺知道Zonapha病的治疗方法，他暂且加入仲町马戏团。小胜在黑贺村进行特训，期间结识了几位年龄相仿的朋友，击败了多个无脸司令派出的刺客。
机关傀儡之神
无脸司令在全世界散播Zonapha病，并掳走了爱蕾诺，搭著飞行船来到法国，并预计搭火箭到国际太空站。小胜一路追到法国与无脸司令对战，战败后被无脸司令以转送装置输入记忆，但小胜喝过爱蕾诺的血（生命之水），得以治愈被洗脑的脑细胞。小胜假装被他洗脑并配合演出，随后救下爱蕾诺，并把无脸司令独自送上宇宙。
鸣海到了美国后负责保护能治疗Zonapha病的机器，在胡氏的安排下，他与仲町马戏团部分成员会合。无脸司令宣告自己对这个世界感到失望，并加速散播Zonapha病。为了问出阻止Zonapha病的方法，仲町马戏团护送航天飞机到俄罗斯的发射基地。众人在途中接连击败自动傀儡，而小胜也终于再次与鸣海相遇并与他并肩作战。小胜搭上航天飞机后，在太空站里和无脸司令决战。无脸司令被小胜的信念说服，不再与他为敌并透露Zonapha病的治疗方法，他坦承自己的错误并选择与坠毁的太空站一起灭亡，而小胜平安返回地球。世界回归和平，故事最后是身穿布偶装、长大后的小胜帮助了受难的陌生孩童。
谢幕
在故事结束后，所有角色不分敌我、不分生或死都一起携手登场，满面笑容地向读者谢幕。
