Профессор Лейтон и Люк отправляются в город чудес, Монтдол, в поисках Маски Чуда. Маска обладает способностью исполнять желания своего владельца. Лейтон и Люк прибывают в город и видят, что опоздали: таинственный человек использует силу маски, чтобы превращать людей в камень. Лейтону и Люку предстоит разгадать тайну Монтдола и Маски Чудес. В этой пятой игре серии Professor Layton для решения головоломок больше используются физические кнопки управления, а не только сенсорный экран. Чтобы использовать аппаратные возможности Nintendo 3DS, персонажи в сценах отображаются в виде полигонов, а не спрайтов, кроме того, были внесены другие улучшения в интерфейс.