日本テレビの誇る怪盗「ルパン三世」と、読売テレビの誇る名探偵「江戸川コナン」との共演作品として、放送の約2年前から企画が動き出していた。放送に先駆けて多くのPRが行われ、放送週の『週刊少年サンデー』2009年17号では出版社の枠を超えてコナンとルパンが並んで描かれている表紙が掲載されたほか、両原作者の対談も掲載された。表紙の内容は、コナンとルパンが相手のトレードマークであるワルサーP38と眼鏡を持ち合うというものであった。

タイトルは「VS」と銘打っているが、実際にはルパンとコナン、もしくは双方の仲間や関係者が協力＝共闘するシーンがほとんどで、展開は架空の王国という『ルパン』でよくある舞台に、『コナン』の推理で犯人を追い詰めていくというもの。不二子のお色気シーンやルパンダイブ、コナンのスケボーによるカーチェイスなどの両者のお約束も取り入れられ、アイキャッチも双方（『ルパン』はTV第2シリーズ）のものが使用された。

時間と場所など状況を示すテロップは、『ルパン』で用いられるタイプライター音を伴って表示された。

BGMについては双方のものを使用しているが、『コナン』側の方が多く使用されている。オープニングテーマとエンディングテーマは「ルパン三世のテーマ」だったほか、「名探偵コナン メイン・テーマ」も、コナン初登場時やカーチェイス、クライマックスなどのシーンで使用された。劇中の音楽として、『ルパン』からは「二人の過去」が、ゲストヒロイン・ミラの関係する場面で数回使用されるなど、全体的に『ルパン三世 ワルサーP38』や『ルパン三世 炎の記憶〜TOKYO CRISIS〜』のBGMが多く使用されている。そのほかにも、五ェ門が初登場する場面では『ルパン三世 燃えよ斬鉄剣』のBGMが、不二子が初登場する場面と不二子がミラに暗殺者が素人であることを説明する場面では、『ルパン三世 sweet lost night 〜魔法のランプは悪夢の予感〜』のBGMが、そして「銭形マーチ」は、『ルパン三世 ルパン暗殺指令』、『ルパン三世 1$マネーウォーズ』、『ルパン三世 アルカトラズコネクション』のBGMが使用された。エピローグで流れた「ルパン三世のテーマ」は、『ルパン三世 ナポレオンの辞書を奪え』のBGMである。

キャラクターについては『コナン』側の数が毛利探偵事務所の面々と一部の警察関係者、鈴木園子のみと絞られており、中盤以降は毛利探偵事務所の面々のみである。コナンがあり得ない高さから無事に着地するシーンや蘭のお色気シーンなどに加え、彼女の過剰な妄想シーンをはじめかなりコミカルな描写もあるなど、本作放送当時の『コナン』TVシリーズを基準に比較すると珍しい演出が盛り込まれている。一方、『ルパン』側は銃を使うシーンがほとんど存在しないという、こちらもTVシリーズを基準に比較すると珍しい演出が盛り込まれていた。

ルパン側のキャラクターデザインは当時（2000年代中盤）のTVスペシャルに準じたものとなっており、ルパンのジャケットの色は赤である。本作のみのサブキャラクターやモブキャラクターについては、『ルパン』と『コナン』の双方のキャラクターデザインに準じたものが混在している。

脚本は『ルパン三世 天使の策略 〜夢のカケラは殺しの香り〜』以来4年ぶり2度目となる前川淳が担当し、監督は双方の長編を担当した経験を持つ亀垣一が担当している。

『ルパン三世』のTVスペシャルは本作以前から『金曜ロードショー』枠内で定期的に放送されているが、『名探偵コナン』としては『金曜ロードショー』枠内でのオリジナル新作は本作が初となる。

ルパンシリーズとしては『ルパン三世 霧のエリューシヴ』以来2年ぶりに日本が物語前半の舞台となり、コナンにおいても劇場版『名探偵コナン ベイカー街の亡霊』以来、テレビシリーズとしても『工藤新一NYの事件』以来、コナンの身体になってからは初となる海外が舞台となった。

「原作漫画の出版社と原作者が異なる作品のコラボレーションによるアニメは史上初」と、公式サイトなどでは謳われている。

本作は2007年放送の『霧のエリューシヴ』以来、『ルパン』のテレビ作品としては2作目のハイビジョン制作である。

本作の宣伝で使われたイメージカットは、自動販売機を挟んでルパンとコナンが互いに視線を合わせるというものだった。また、自動販売機に展示された缶には本作の登場キャラクターたちのほか、本作に登場しなかった阿笠博士も描かれている。

『ルパン』側のアイキャッチは第2期のものと同じ音楽が使われたが、アニメ部分は本作用に新規で描き下ろされた。ベンツの色が黄色のものと赤のものと、2つのバージョンがある。また、ルパンの服装も本作に合わせ、赤ジャケットに黄ネクタイのものに変更されている。

関東地区での『金曜特別ロードショー』枠の本放送時には19.5%、2度目の『金曜ロードショー』枠の放送時には15.2%という高視聴率を記録した。これを受け、ルパンとコナンの再対決を企画していた製作側は第2弾として、日テレの開局60周年とytvの開局55周年を記念した特別企画『ルパン三世VS名探偵コナン THE MOVIE』を2013年12月に劇場公開した。

ヴェスパニア王国のサクラ女王とジル王子が、猟銃事故で死亡した。そのニュースは世界的に報道され、ルパン三世や江戸川コナンの耳にも入る。

サクラ女王の遺児であるミラ王女が王位を継承することになったが、国内ではミラの即位に反対するデモが相次ぎ、ミラ自身も母と兄の突然の死を受け入れられずに次期女王への即位を拒絶していたが、キース伯爵の説得で母が企画していた東京のサクラサクホテルでのレセプションに仕方なく出席することにした。

ミラの護衛を担当するはずだった次元大介と合流したルパンは、ヴェスパニア王国に伝わる秘宝「クイーンクラウン」を狙い、王宮の宝物庫に潜入するかと思われたが、ここでの狙いは別であった。その狙いとは、世界的にも希少な鉱物「ヴェスパニア鉱石」を入手することであり、そのために鉱山へ潜入していた。

その頃、日本では母の代わりに来日したミラが会場で毒殺されかけたところを、鈴木園子に招待されていたコナンと現場に遭遇した毛利小五郎の活躍によって救われ、犯人も逮捕された。しかし、自分の命が狙われたことにショックを受けたミラは、警備の目を掻い潜ってホテルから逃げ出してしまう。

街で自分と瓜二つの少女・毛利蘭と出会ったミラは、蘭と服を交換して入れ替わることで、追跡から逃れようと目論む。その後、ミラは峰不二子に助けられながら、暗殺者たちの襲撃やミラを連れ戻そうとするコナンの追跡を振り切り、身分に縛られない自由を満喫するが、自分にしかできないことを一緒に見つけるべきだと不二子に諭され、帰国を決意する。一方、事情を説明しようとホテルへ戻った蘭は、ミラの身代わりとしてヴェスパニア王国へ連れ去られてしまい、蘭を追うコナンも同国への特別航空機に密航する。さらには、蘭を救おうと急ぐ小五郎も、ルパンを追うICPOの銭形警部の助手として、警視庁の目暮警部の手引で同国へ向かう。

蘭とコナン、そして王女の護衛として雇われていた次元に、キースはサクラ女王とジル王子の猟銃事故がジラード公爵による陰謀である可能性を語る。蘭の救出にやってきた小五郎も巻き込み、王位継承にも関係する捜査網が築かれ、その過程で「世紀の大泥棒」と称されるルパンと「迷宮なしの名探偵」と称されるコナンが、互いにそうとは知らないまま邂逅を果たす。

その後、ルパンは王宮へ潜入してクイーンクラウンを盗もうと画策するが、不二子によって盗まれた後であったうえ、必須アイテムであったヴェスパニア鉱石内蔵アイテムもすり替えられており、ルパンは危機に陥るが、石川五ェ門の手を借りて脱出に成功する。一方、その騒乱を奇貨としたジラード公爵はミラをはじめとする関係者たちを、王宮内にある東屋へ呼び出す。

東屋では、捜査報告とジラード公爵の真意が語られた後、公爵が事前に仕掛けていた爆弾を使ってミラの抹殺を謀るが、侍女の1人に変装していた不二子や、小五郎に変装していたルパン、そして彼からバックアップを頼まれていた次元と五ェ門の活躍によって状況は急転し、猟銃事件に端を発する陰謀劇は落着する。

戴冠式の前、密航者であるコナンはヴェスパニア王国の日本大使館による強制送還に際し、実在しない人間であることを察知されてしまうと焦るが、ルパン一行による拉致を経て不二子の友人の潜水艦により、日本へ送還されることとなった。ルパンと別れる際、コナンは「今度泥棒したら捕まえるからね」と宣戦布告とも取れる言葉を放ち、ルパンも脅かして撮ったコナンの写真を保存して互いを宿敵と認め、ルパンとコナンによる世紀の対決は、ひとまず次回に持ち越す形で幕を下ろした。

その後、コナンは帰国までの間、永遠の若さを狙う不二子に潜水艦内で問い詰められる羽目になった。

• 原作 - モンキー・パンチ、青山剛昌
• 監督・絵コンテ - 亀垣一
• 脚本 - 前川淳
• 演出 - 大庭秀昭、亀垣一
• キャラクターデザイン・総作画監督 - 平山智、須藤昌朋
• メカデザイン・メカ作画監督 - 水村良男、亀垣一
• デザインワークス・作画監督 - 山中純子
• PART作画監督 - 今木宏明、谷圭一、本橋秀之、清水勝祐、前田明寿、吉田雄一、平塚知哉、曾我篤史、河野稔、清水昌之、三輪修、石之博和、江上夏樹、亀井大祐、村上直紀、越智信次、岩井伸之
• 動画チェッカー - 松本恵、小畑賢
• 美術監督 - 高須賀真二
• 特殊効果 - 林好美
• 色彩設計 - 海鋒重信
• 色指定、仕上検査 - 佐々木雅人、山本智佳、高木雅人
• 撮影監督 - 野口龍生
• 編集 - 岡田輝満
• 音響監督 - 浦上靖夫
• 音楽監督 - 鈴木清司、浦上靖夫
• ミキサー - 大城久典
• 音響効果 - 倉橋静男、西佐知子
• 音楽 - 大野雄二、大野克夫
• アシスタントプロデューサー - 小林三紀子、進藤友博、北田修一
• プロデューサー - 中谷敏夫、諏訪道彦、小島哲
• アニメーション制作 - 東京ムービー（トムス・エンタテインメントのブランド名）
• 製作 - 「ルパン三世VS名探偵コナン」製作委員会（日本テレビ放送網、讀賣テレビ放送、トムス・エンタテインメント、小学館）

本作以前でもルパン三世と江戸川コナンがわずかながら｢共演｣するシーンは何度か登場している（アニメ製作は同じ トムス・エンタテインメント）。これとは別にコナン原作単行本64巻では「日本一有名な警察官」として銭形警部が巻末で紹介されている。

• 1998年に放送されたルパンのTVスペシャル『ルパン三世 炎の記憶〜TOKYO CRISIS〜』の前半で渋谷駅前のハチ公広場のカットでコナンと蘭と小五郎らしき人物が後ろ姿で小さく登場している。
• 2007年に劇場公開された『コナン』劇場版第11弾『名探偵コナン 紺碧の棺』の冒頭で、強盗犯がルパンと不二子の覆面を被って登場している。ちなみに、この作品を含めた劇場版・TVシリーズ・そして本作のキャラクターデザインや総作画監督を担当している須藤昌朋は、『ルパン』TVスペシャル『ルパン三世 燃えよ斬鉄剣』と『ルパン三世 ハリマオの財宝を追え!!』、さらに本作の3年後に放送された『ルパン三世 東方見聞録 〜アナザーページ〜』のキャラクターデザインや総作画監督も担当しており、『紺碧の棺』に登場するルパンと不二子の覆面は、前述の3作品における彼らの顔つきに近い。なお、この作品では、ルパンが佐藤美和子の初恋の人であることが明かされている。この設定は次作でも引き継がれている。
• 2008年に発売されたOVA第3弾『ルパン三世 GREEN vs RED』にも、コナンと蘭らしき人物が一瞬登場している。

2012年9月18日には、アニメコミックが少年サンデーコミックススペシャルより発売された。

2013年10月から同年12月まで、次作の劇場公開に合わせて本作のコミカライズ版が週刊少年サンデーSにて連載された（作画：阿部ゆたか・丸伝次郎）。