Действие происходит во времена Петра I в Москве. Ученый Яков Брюс, сподвижник Петра I, открыл в Сухаревой башне свою магическую лабораторию. Здесь же находятся врата Волшебных миров, через которые хочет проникнуть темный маг, изгнанный несколько десятилетий назад. Дочь Брюса Марго и помощник Петя случайно узнают о коварных планах. Но дети ссорятся и рвут старинный манускрипт, дающий силу Якову Брюсу. Чтобы восстановить магические способности, нужна кожа дракона, чернила и стальное перо. Чтобы их добыть, Марго, Пете и роботу Кубику придется отправиться в Волшебные миры...
На фоне фантастического сюжета сериала «Тайна Сухаревой башни» происходят реальные события с участием исторических персонажей. При создании сериала использованы все возможности современной анимации, 2D с элементами 3D.