Военный врач Джон Ватсон (Мартин Фриман) возвращается в Лондон из Афганистана и заводит знакомство с эксцентричным детективом по имени Шерлок Холмс (Бенедикт Камбербэтч). Холмс называет себя высокофункциональным социопатом, вместо каноничной трубки использует никотиновый пластырь, а на досуге подрабатывает консультантом Скотланд-Ярда, с легкостью раскрывая самые запутанные преступления. Очередное дело, поставившее местную полицию в тупик, связано с четырьмя подозрительными самоубийствами и женщиной в розовом. Впрочем, использующий в своей работе метод дедукции Шерлок уверен, что все эти смерти - дело рук одного убийцы. Ватсон, который чувствует себя потерянным и никак не может найти свое место в мирной жизни, становится помощником детектива и параллельно заводит в Интернете блог, где подробно описывает их совместные приключения. А поскольку Лондон - город большой, и преступников в нем много, то и Холмс с Ватсоном без дела не сидят. На их счету расследование взлома кабинета крупного банкира и убийства брокера, взрыва в доме на Бейкер-стрит, правительственного заговора, дела о секретных экспериментах на военной базе и многое другое. Более того, Шерлок переживает собственную смерть и становится участником опаснейших интеллектуальных дуэлей с харизматичным гением криминального мира Джимом Мориарти (Эндрю Скотт), влюбленной, но беспощадной доминанткой Ирэн Адлер (Лара Пулвер), "Наполеоном шантажа" Чарльзом Магнуссеном (Ларс Миккельсен) и миллионером-маньяком Калвертоном Смитом (Тоби Джонс).