夏洛克·福尔摩斯（小罗伯特·唐尼饰），不仅是世纪末英国著名的侦探，同时，他还是一位小提琴演奏家，击剑和拳击高手，以及一位花心的情场浪子。对于福尔摩斯的品性，他的助手华生医生（裘德·洛饰）一直颇有微词，但两人亦师亦友的关系却使得华生一直忍让着福尔摩斯的那些坏习惯。不过纵使福尔摩斯一直如此的桀骜不驯，在他内心深处，也一直有一位挚爱－－艾琳·艾德勒（瑞秋·麦克亚当斯饰）。
又一起凶案发生，福尔摩斯和华生受人委托开始调查这起案件，最后发现矛头指向备受人们尊敬的布莱克伍德公爵（马克·斯特朗饰），而且奇怪的是这起案件似乎也和艾琳·艾德勒有所关联。福尔摩斯和华生继续追查下去，最后他们发现这个阴谋波及着整个英国的安全！大侦探福尔摩斯开始了他从业以来最复杂也最危险的一次冒险。