1884年的英国是一个处于变革边缘的世界。在16岁生日的早上，伊诺拉· 福尔摩斯（米莉·波比·布朗饰）醒来后发现她的母亲（海伦娜·伯翰·卡特饰）无故失踪，留下了各式各样奇怪的礼物，却没有明显的线索表明她要去哪里以及离开的原因。在度过自由自在的童年生活之后，伊诺拉突然由哥哥夏洛克（亨利·卡维尔饰）和麦克罗夫特（山姆·克拉弗林饰）照顾，两人都决定将她送去培养“有教养的”年轻女子的学校完成学业。伊诺拉拒绝遵从他们的意愿，并逃到伦敦去寻找母亲。但当她在旅途中发现自己卷入了一个围绕在逃勋爵（路易斯·帕特里奇饰）的谜团中时，伊诺拉化身一名超级侦探，在揭露一场威胁到历史进程的阴谋中，与她家喻户晓的哥哥斗智斗勇 。