故事发生在1884年的英国，伊诺拉（米莉·博比·布朗 饰）即将迎来16岁生日，然而就在这一天，她的母亲（海伦娜·伯翰·卡特 饰）离奇失踪。大名鼎鼎的侦探夏洛克·福尔摩斯（亨利·卡维尔 饰）和麦考夫（山姆·克拉弗林 饰）成了伊诺拉的监护人。 面对这个古灵精怪、难以管束的妹妹，兄弟俩一心想把她送进专门培养“淑女”的寄宿学校。伊诺拉怎会乖乖就范？她一气之下离家出走，独自前往伦敦寻找母亲。旅途中，伊诺拉卷入了一起神秘案件，她化身为侦探，与哥哥们展开了一场斗智斗勇的较量。