Bộ phim xoay quanh những chuyến phiêu lưu ngầm của anh chàng thám tử nổi tiếng của tác giả Arthur Conan Doyle. Lần này, Sherlock Holmes (Robert Downey Jr. tiếp tục thủ vai) đã phải cầu cứu đến sự giúp đỡ của một bà bói (do Noomi Rapace đóng) bị đe dọa bởi Giáo sư toán học ác tâm James Moriarty (Jared Harris). Như thường lệ, Holmes cùng với cộng sự của mình, tiến sỹ Watson (Jude Law) khám phá những bí ẩn đằng sau vụ án.