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母亲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）和麦考夫 （ 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 。