夏洛克為保護瑪麗槍殺了馬格努森。哥哥麥考夫親眼看到弟弟的行為，但事情來得太快，他根本來不及阻止。整個過程都有警方的監控錄像為證，作為首相內閣大臣之一的麥考夫也無力維護，只能將弟弟派往東歐執行任務，算是將功折罪。誰都知道夏洛克此去風險極大，大家都做好了永別的準備。可沒想到飛機剛離開地面幾分鐘，夏洛克就被召回。國內發生了更嚴重的安全危機，只有夏洛克才能解決。
在軍情六處的機密辦公室里，代號分別“南極洲”、“朗登”、“愛”的國安部內閣大臣聽取了麥考夫的匯報。不知是何原因，莫里亞蒂的圖像出現在英倫三島的所有媒體屏幕上，視頻中他反復說著“想我嗎”，讓人不寒而栗。莫里亞蒂具備高智商犯罪能力，且組織龐大。雖然他已自殺，但國安部仍不敢掉以輕心。夏洛克作為莫里亞蒂的老對手，責無旁貸的承擔起調查責任。同時，為了給司法部門一個解釋，麥考夫篡改了警方的監控錄像，將馬格努森的死歸咎于在場執行任務的警方人員過于緊張導致的槍支走火。
夏洛克坐在座位上根本無心聽老哥的報告，似乎所有事都與他無關。重獲自由讓他內心無比興奮，對于面前三名位高權重的官僚，他更愿意和坐在角落里的書記員薇薇安聊天。在座代號為“愛”的斯茅伍德夫人終于失去了耐心，是她批準了夏洛克赴東歐的計劃，也是她同意召回夏洛克。現在她坐在這，可不是來看夏洛克來胡鬧的，她要知道莫里亞蒂的下一步計劃以及夏洛克的應對之策。夏洛克的回答讓辦公室里所有人大跌眼鏡，那就是等。與其盲目猜測，不如靜觀其變，見機行事。
能坐在貝克街221號的沙發里，沉浸在罪案的海洋中，享受著破案帶來的快意，是夏洛克最大的人生樂趣。在警局關押的這段時間里，已經積壓了不少破案求助。夏洛克沒日沒夜的快速運轉著大腦，華生和瑪麗不得不多次提醒他注意休息。沒過多久，華生的女兒蘿絲孟德出生了。茉莉和房東赫德森太太是孩子的教母，夏洛克自然是教父。即使在孩子受洗的時候，夏洛克仍不停的在手機上發著信息，調查案件。一旁的茉莉對這個智商取替了情商的家伙，也是無能為力。之后的生活都是圍繞著蘿絲，連夏洛克也要時不時的負責照顧。
就這樣在忙碌中過了一段時間，莫里亞蒂的陰謀始終沒有出現，直到警官雷斯垂德的到來。數周前，內閣大臣大衛·韋爾斯伯魯的50歲生日派對上，大衛接到兒子查理的視頻電話。查理參加畢業旅行，正在國外登山，無法及時趕回。似乎那邊的信號不好，查理的圖像中斷，只有語音。電話里查理請求父親到他的車前拍張照，拍下被粘在車頭的恐龍戰隊玩偶。大衛只當是兒子孩子氣的舉動，拍下照片發送過去后，查理就沒了聲音。當時大衛以為是信號中斷，可一周后發生了奇怪的事。一名司機醉駕，在逃避警察追捕時馳入大衛家的車道，一頭撞上車道里查理的車。汽油泄露引起大火，等大火被撲滅眾人才發現車里有具焦尸。根據DNA檢測，死者正是查理，而且死亡時間就在一周前。
這個看似離奇的案子，夏洛克看過尸檢報告心里就有了大致方向。查理車位上發現了兩種不同的化纖成分，很明顯是查理買了座椅套，然后套在身上。他想等父親來車前拍照時突然出來給父親一個驚喜，可沒想到就在此時他因突發癲癇或心臟病當場死亡。因此車停在車道的一周時間里，沒人注意到偽裝成座椅的查理，最后發生了意外事故才讓人發現這個年青人的尸骨。
真正引起夏洛克注意的是大衛書房里，小圓桌上的那個空位置。小圓桌擺放著英國首位女首相“鐵娘子”撒切爾夫人的照片和擺設，只有正當中空出一塊。從桌面的刮痕看，應當是有座石膏雕像。房主大衛不清楚夏洛克為什么關心一個雕像，但還是說出之前有人闖入，并在門廊砸碎了圓桌上的撒切爾夫人像。晚上闖入，而后在有燈光的門廊上砸碎。如此大費周章的對待一個雕像，夏洛克認為絕不是簡單的泄憤，可暫時又想不出原因。或許這就是莫里亞蒂陰謀的第一環，也或許不是，他心里無法確定，直覺告訴他將有事發生。
隨后第二、第三個雕像出現了，均被砸碎，其中還發現了作案人的血跡。夏洛克想用獵犬追蹤氣味，可狡猾的作案人有意走過雜亂的菜場和散發著血腥味的肉市，再優秀的獵犬也會失去目標。這次的失敗讓夏洛克的斗志更加旺盛，他找到黑客朋友，查出被打碎的撒切爾夫人像產于格魯吉亞，是只有六座的限量版。根據訂單，除去已被打碎的三座，剩下的在兩人手里。這時雷斯垂德打來電話，又發生了新案情。這一次不僅兩座雕像被打碎，所有者也被殺害。五座雕像被打碎，那最后一座就是兇手的目標，夏洛克決定守株待兔。
深夜，一個黑影潛入一幢豪宅之中，慢慢向擺放在書桌上的撒切爾夫人像走去。躲在暗處的夏洛克打開房間的燈，沖上前阻止。拽下黑衣人的頭套，露出一幅中亞男子的面孔。夏洛克精于格斗術，可黑衣人的身手也不俗。經過一番搏斗，夏洛克稍勝一籌。可讓他失望的是，黑衣人即不知道莫里亞蒂，雕像里也沒有國際警察一直在尋找的黑珍珠。打碎的雕像里只有一個印著“AGRA”的U盤，瑪麗手里曾有過同樣的U盤。夏洛克一下就愣了，當初他發現了瑪麗的真實身份后，瑪麗曾將這個U盤給了華生。U盤里有瑪麗的身份資料，但華生不想再羈絆于過去的事情，就將U盤丟進了火堆。U盤怎么會出現在這里，夏洛克百思不得其解。黑衣人也看出端倪，意識到眼前這人一定認識那個背叛了組織的女人。在警察包圍建筑物前，黑衣人匆匆逃走，離開前丟下狠話，一定要殺了那個叛徒。
夏洛克私下約瑪麗到一處偏僻無人的地點見面，瑪麗看到U盤也是吃了一驚。瑪麗原名蘿絲孟德，曾是特工組織的一員。組織由四人組成，按每人姓名的首字母取名為“AGRA”。為了保證成員的忠誠，每個人手里都有一個U盤，里面存放了四個人的真實身份資料。六年前，格魯吉亞發生政變，英國大使被叛軍劫持。AGRA受英國政府雇傭前往營救，卻在行動前接到電話要求調整計劃。因電話里的人能說出暗號“阿穆”，AGRA只能暫時改變方案，結果正落入敵人圈套，只有瑪麗逃了出來。瑪麗以為其他成員都已犧牲，心生厭倦，這才嫁給了華生。通過U盤里的照片，瑪麗認出襲擊夏洛克的人是阿杰。沒想到多年以后，還有機會見到曾經的戰友。
聽到阿杰要置她于死地，瑪麗不愿相信。再看到夏洛克嚴肅的表情，她才知道并不是玩笑。為了華生和女兒的安全，瑪麗迅速做出決定，離開自己的生活圈。她趁夏洛克不備，下了藥。從昏迷的夏洛克手中拿走U盤，再給華生留下封告別信后，她踏上了逃亡之路。為了不讓夏洛克找到，她經常隨機變換身份和居住地點，不在同一城市長時間逗留。即使如此，瑪麗還是在摩洛哥的小旅館里見到了夏洛克和華生。U盤里有追蹤器，這是她萬萬沒有想到的。夏洛克曾向華生發誓，要保護瑪麗，所以他不可能讓瑪麗孤身犯險。軍人出身的華生也不會讓妻子單獨面對困難，自己卻躲在家里照顧女兒。
這時，阿杰突然出現，他是跟著夏洛克找到了這里。當年在格魯吉亞，他被人有追殺，逃到石膏廠。為了組織的安全，他將隨身的U盤塞進了正在晾干的撒切爾夫人雕像的底座。即使在監獄里遭受非人的折磨，他都沒有吐露半個字。六年里，他從沒有放棄活下去的希望。他時刻靜聽著外面的動靜，尋找著逃跑的機會。可他聽到的只有受刑時行刑者不停大喊著的“阿穆”，還有就是守衛嘲笑他被一個英國女人出賣。這讓他自然而然的想到是蘿絲孟德背叛了組織，也就是現在的瑪麗。
瑪麗勇敢的直面阿杰積蓄了六年的怒火，希望用自己的坦誠換取阿杰的信任。可她沒能得到這個機會，接警而來的警察從背后擊斃了阿杰，瑪麗再次失去了自己的戰友。但夏洛克從阿杰的話里得到了提示，“阿穆”在拉丁語里是“愛”的意思，而內閣大臣斯茅伍德女士的代號正是“愛”。而且斯茅伍德女士是當年AGRA與政府之間的聯絡人，這不可能是巧合。
在接到夏洛克的電話后，麥考夫冒著風險逮捕了斯茅伍德女士。可僅憑電話里的一個聲音，一個代號就指控斯茅伍德女士，的確很薄弱。當年是麥考夫推薦了AGRA，斯茅伍德女士也沒有理由要陷害他們。夏洛克必須承認自己在這件事操之過急，可除了斯茅伍德還有誰可能知道格魯吉亞那次行動的暗號？等夏洛克冷靜下來，他猛然想到了一個人，一個很容易被忽視卻又無所不知的人，書記員薇薇安·諾伯里。
從軍情六處那得知薇薇安正在水族館，夏洛克馬上通知了華生、瑪麗。還沒等到支援，夏洛克就先進了水族館。在陰暗的水底通道中，他找到了薇薇安。薇薇安已經有所察覺，在斯茅伍德被捕后，她就感覺到時日不多。第二個趕來的是瑪麗，她聽到薇薇安的聲音，就知道了薇薇安是那個讓他們調整方案的人。薇薇安利用自己的特殊身份，長期從事收集和販賣情報的地下工作。在被駐格魯吉亞大使發現后，她以為大禍臨頭，不想因發生政變，大使被劫持。這給了她殺人滅口的良機，于是她暗中通知了叛軍，再調整了行動路線，讓營救人員帶著大使踏進死亡陷阱。薇薇安以為相關人都死了，就能安全了。可人算不如天算，竟然還有兩名AGRA成員活著，揭開了驚天的秘密。
麥考夫和雷斯垂德帶著警察趕來，他們接到了華生的通知，才知道夏洛克發現了軍情六處的安全漏洞。看到前來支援的人越來越多，夏洛克放松了戒備。他以為自己看穿了薇薇安的性格，料定她一定會束手就擒。可他大錯特錯，絕望的薇薇安掏出手槍對著夏洛克扣動了扳機。一旁的瑪麗飛身躍起，擋下了這一槍。
把女兒蘿絲送到茉莉家才趕來的華生，看到了重傷倒地的妻子。看著妻子在閉上雙眼，華生痛不欲生，他恨自己沒有能力保護瑪麗，也恨夏洛克食言。夏洛克也非常自責，他將“諾伯里”深深的記在心底，時刻提醒自己任何時候都要謹慎行事。
瑪麗的死對夏洛克和華生都是沉重的打擊。華生不愿再見到夏洛克，而夏洛克只好寄情于工作，希望工作能讓自己擺脫傷痛。在成堆的郵件里，他注意到一張封面上寫著“想我嗎”的光盤。可這并非莫里亞蒂的郵件，而是瑪麗生前的小玩笑，只有這樣才能引起夏洛克的注意。這張光盤是瑪麗的遺言，在她死后才會寄出。她請夏洛克好好照顧華生，這可出了一個大難題。
距離瑪麗下葬已過去了幾周時間，華生仍無法接受現實，眼前時常看到瑪麗的身影，似乎她從未離去。為此，華生不得不求助于心理醫生。正當他與心理醫生面對面交流時，屋外傳來轟鳴的馬達聲和凄厲的警笛。這些聲音在門口戛然而止，開門一看，華生詫異的看見赫德森太太從超級跑車的駕駛室中出來。只見赫德森把手中的電話交給窮追不舍的警察，警察聽到電話里麥考夫的命令后，隨即撤離。華生從來都不知道老房東赫德森太太有這樣的身手，看來對這個大毒梟的遺孀還了解得不夠。令華生驚訝的還不止于此，夏洛克現在雙手被拷，就蜷縮在跑車的后備箱里。
原來最近受煎熬的不止華生，夏洛克也被內疚折磨著，不停的吸食毒品。一天深夜，一個女人拄著拐杖來到貝克街。她自稱費斯·史密斯，父親是著名的企業家、慈善家卡爾弗頓·史密斯。幾年前，她應邀參加了父親召開的會議。會上，父親要宣布一個大秘密，卻又不愿被別人知道。為了能保守秘密，參加會議的人必須注射記憶抑制劑，在聽到秘密的十幾分鐘后，就會忘記這次會議的存在。會后，費斯跌跌撞撞的回到辦公室，想憑著殘存的記憶，把父親邪惡的秘密寫在紙上。可已經來不及了，她記得父親要殺人，卻想不起來要殺誰，只知道是一個單詞。這個單詞困擾她多年，讓她的生活變得陰暗孤獨。
當時夏洛克的大腦在毒品作用下極度亢奮，飛速運轉著，從細節觀察到訪客的生活落魄且有自殘傾向。從她手袋的重量，夏洛克判斷出里面有把手槍。也許是不想再看到有女士死在槍口下，也許是費斯的拐杖讓他想起華生，夏洛克陪著費斯逛了整整一個晚上。天亮時，兩人平靜的坐在公園長椅上。夏洛克同意接下費斯的案子，因為其中有一點讓他想不明白。人都是有名有姓，為什么費斯明確記得被害者的姓名只是一個單詞。當然，辦案是要收取費用的。夏洛克取出手袋里的手槍，起身用力丟進公園旁的泰晤士河。可當他再回身時，長椅上空空蕩蕩，費斯消失的無影無蹤。
夏洛克的大腦拼命運轉著，要找出其中的原因。他漫無目的的在大街上走著，視而不見馬路上對他按著喇叭的車輛。突然他腦中靈光一現，費斯的父親卡爾弗頓要殺的是“任何人（Anyone）”，卡爾弗頓是個恐怖的連環殺手。等夏洛克再次清醒時，已被人送回了貝克街。
在之后的三周時間里，夏洛克瘋狂的收集著卡爾弗頓的資料。可找不到絲毫犯罪線索讓他陷入狂躁，對著房間的墻壁胡亂開槍，還在網上炮轟卡爾弗頓是連環殺手。他的舉動一直在麥考夫的監視之下，赫德森夫人把夏洛克關進后備箱，送到華生這里也是得到了麥考夫的默許。所以才出現了心理醫生門前那奇怪的一幕。
在赫德森太太的再三懇求下，華生才同意見見夏洛克。還沒等華生察覺到有什么不對勁，手機響了起來，一旁的心理醫生替無暇接聽的華生接通了電話。是卡爾弗頓的電話，他按原訂計劃派車接夏洛克和華生見面。至于接送的時間和地點，夏洛克早在兩周前就已告之。華生開門，看到站在門前的司機和停在路邊的加長林肯，啞口無言。直到這會華生才想起問赫德森太太是如何知道這個地方，一問才知道也是夏洛克說的。
夏洛克對華生太了解了。他知道華生一定會找心理醫生，也知道華生周末要照顧女兒蘿絲。在工作日進行心理治療，又不希望診所同事發現，那只能與診所附近的心理醫生預約在午休時間。剩下的事只要在網上搜索一下，就能分析出華生會在什么時間出現在什么地點。華生自然不愿承認自己這么容易被人看透，可之后的事證明他錯了。
以夏洛克目前的精神狀態，華生無法相信他能對卡爾弗頓做出正確的判斷。在去見卡爾弗頓之前，必須找人對夏洛克進行全面檢查，最合適的檢查人就是茉莉。正說著，茉莉按響了門鈴。兩周前夏洛克就通知她來這里，還要準備一輛救護車以備體檢所需。這下華生徹底無語。
華生坐著加長林肯，夏洛克躺在救護車里，一同到達卡爾弗頓的集團大樓下。茉莉對檢查結果極其不樂觀，可夏洛克根本不在乎，他心里只想著抓住英國犯罪史上殺人最多卻又未被發現的連環殺手。與卡爾弗頓的見面是在媒體記者面前，非常虛偽，兩人就像多年老朋友一樣擁抱打招呼。趁這個機會，夏洛克偷走了卡爾弗頓的手機，偷偷給費斯發去了消息。
隨后在卡爾弗頓的邀請下，夏洛克和華生一同前往由卡爾弗頓出資興建的醫院參觀。顯然卡爾弗頓是想玩貓和老鼠的游戲。他嘲諷夏洛克對連環殺手的認知太膚淺，對于有錢有勢而又殺人如麻的兇手則無可奈何。在他最喜愛的房間——停尸間里，卡爾弗頓幾乎肆無忌憚。作為連環殺手，他有著與其他連環殺手同樣的心理狀態，希望把自己的謀殺公之于眾。自從三年前，他的病態殺手心理被激發后，就無法抑制的想告訴其他人。這也就是他幾乎每個月都要開幾次神秘會議，再抹除參加者記憶的原因。這間醫院就是他最好的墳場，死人出現在這里，沒有人會懷疑。只不過卡爾弗頓說這些話都是用暗喻，似是而非，就算有警察在場，也無法定罪。
夏洛克并不在意，他很清楚不可能這么容易就讓卡爾弗頓認罪，只有讓費斯出現才能打垮卡爾弗頓的心理防御。隨著一聲聲的拐杖聲響，費斯出現在停尸間的門口。剛才還趾高氣揚的夏洛克一下就泄了氣，眼前的費斯根本不是那天晚上的人。在卡爾弗頓的嘲笑聲中，夏洛克都不禁懷疑那晚是不是吸毒過量，產生了幻覺。卡爾弗頓的狂笑讓夏洛克失去了控制，抓起解剖臺上的手術刀向卡爾弗頓刺去。華生實在忍無可忍，帶著心中的憤怒，帶著對亡妻的歉疚，朝夏洛克狠狠打去。
鼻青臉腫的夏洛克被安置在最好的單人病房，雷斯垂德警監特地安排警員守在病房門口，防止再生事端。華生來探望時，夏洛克正在熟睡。華生拿來了自己的拐杖，當年在夏洛克的激勵下，他克服心理障礙擺脫了拐杖。現在他希望夏洛克同樣能走出心理陰影，恢復從前的生活。接到麥考夫的電話后，華生匆匆離開。這時病房里只剩躺在病房上虛弱得無法動彈的夏洛克，病房一側的墻壁緩緩移動，卡爾弗頓從墻里走了出來。
卡爾弗頓在籌建這家醫院時，頻繁更換建筑師和工人，通過這種方法建造了不為人知的密道暗門。這條密道讓他神出鬼沒的殺死病人，而又不引起注意。今天是他的人生高峰，能殺死大名鼎鼎的夏洛克·福爾摩斯，怎能不得意。在夏洛克入院時，他已經仔細檢查過夏洛克的衣物，從里面找出三枚疑似錄音裝置。消除隱患后，他就能毫無顧忌的說出自己的罪惡，再親手殺死知道真相的夏洛克。
就在卡爾弗頓講述著心中的秘密時，華生趕到了貝克街，麥考夫正帶人搜查這里。對弟弟的情況，他也無能為力，畢竟家族里不只夏洛克是這樣。雖然麥考夫不愿承認，華生還是聽出夏洛克另有一個兄弟，也是精神不正常。麥考夫此來是想找到夏洛克這種自我毀滅行為的誘因，華生從爐臺上的光盤里找到了答案。那是瑪麗生前留給夏洛克的光盤，請求夏洛克照顧好華生。瑪麗也很了解華生，知道華生無法跨過這個坎，一定會拒絕別人幫助。但華生本性善良，會本能的幫助別人。所以只要夏洛克身處險境，華生就會主動出手相助，打破僵局。
華生這才明白夏洛克做這一切都是在執行瑪麗的遺愿。如此說來，夏洛克現在非常危險。華生開著赫德森太太的跑車沖到醫院，守在病房門口的警員接到通知卻無法打開房門，在向醫院護士求助。華生情急之下用力砸開門，正看到卡爾弗頓緊緊捂著夏洛克的口鼻。卡爾弗頓見事情敗露還想狡辯，可他沒想到除了衣服里的錄音設備，夏洛克三周前就在華生的拐杖里裝了竊聽器。夏洛克料定華生會把拐杖送來，作為紀念。華生又忍不住罵了夏洛克一句。
卡爾弗頓被捕歸案，華生坐在了貝克街221號的沙發里。夏洛克仍在恢復之中，對之前的事還有些模糊，總感覺費斯曾經來過，可又不能確定。說實話，這件事對華生的影響也很大。妻子與夏洛克密謀，而且對他的生活看得如此透徹，讓華生很不舒服。原本以為彼此之間相互說些安慰的話，就能拋棄前嫌不再羈絆往事。沒想到，夏洛克手機上傳來艾琳·阿德勒性感的短信鈴聲，又點燃了導火索。
艾琳這個聰明美麗的施虐狂居然還沒死，夏洛克隱瞞這個秘密這么多年。華生略加思索就知道今天一定是夏洛克的生日，所以艾琳才會冒險發出短信。感情生活一直是夏洛克拒絕承認的，為了讓夏洛克接受，華生坦誠了自己的小秘密。在蘿絲出生后不久，他也出軌了。在公交車上，華生遇到了一個女人，她迷人的笑容讓華生無法抗拒。但直到瑪麗發生意外，華生也只是與她相互發送短信。此外，華生也要指出，瑪麗看錯的不只這一件事。夏洛克身處險境，他并不會出手相助。如果不是看到光盤里的內容，他根本不會理睬吸毒過量的夏洛克。說完這些，華生如釋重負，眼中流下悔恨的淚水。
幾天后，一身輕松的華生與心理醫生再次見面。所有的事情都在向好的方向發展，這讓他很是安慰。可他想不到，麻煩接踵而來。心理醫生竟然知道夏洛克還有一個兄弟，或者說是妹妹。在被華生察覺后，心理醫生拿下眼鏡，取出掩蓋瞳孔顏色的美瞳。她就是到過貝克街的“費斯”，她也是公交車上向華生微笑的女人。她叫歐羅斯，麥考夫和夏洛克的妹妹。她知道男人的缺點，只要一點化妝，一幅笑容，一根拐杖，就能讓從不留意面容的男人無法識別。卡爾弗頓把費斯的紙條給了她，讓她策劃一場更大的陰謀。現在華生知道了這個秘密，就不能讓他活著走出這間屋子。
麥考夫悠閑的坐在家庭影院里，看著都已能倒背如流的老電影。只有在這種時候，他才能暫時忘記煩人的政事和那個不讓人省心的弟弟。突然屏幕上閃現出童年時的影像，父親母親還有弟弟夏洛克，隨后出現四個字“我回來了”。他一下子從座椅上跳了起來，猛然感覺四周是那么詭異。從房間里出來，他抓起依靠在門邊的雨傘，輕輕一抽，露出隱藏在傘骨下的利劍。一個小女孩在黑暗的房間里亂跑，麥考夫始終追不上她。麥考夫強作鎮定，他首先想到的就是妹妹歐羅斯逃出來了。嘴里反復念叨著“不可能”，他不相信妹妹能從“地獄”中逃出來。就在這緊張時刻，夏洛克從門后走了進來。一聲口哨，房間大亮，華生也現身屋中，剛才就是他們在搗鬼。華生在心理醫生的屋內醒來時，歐羅斯就沒了蹤影。他不知道歐羅斯為什么放過他，更不知道歐羅斯到底是不是福爾摩斯家族的成員。夏洛克導演了這場戲，就是試探麥考夫的反應。從麥考夫的反應來看，夏洛克得出三點結論：一、他確實有個叫歐羅斯的妹妹；二、歐羅斯被麥考夫關在某個國家機構；三、麥考夫很怕歐羅斯。
第二天，麥考夫站在貝克街221B房間里。赫德森太太改不了大媽的本性，也想站在門口聽聽這八卦。可這即是國家機密又是家事，麥考夫不希望有外人在場。夏洛克趕走了失望的赫德森太太，卻留下了華生。沒有搭檔在，夏洛克不會接手這個案子。麥考夫無奈，只能坐下來，仔細講起整件事的來龍去脈。
所有事情都起始于家族的老宅馬斯格雷夫莊園，童年時期的夏洛克和父母，大他七歲的哥哥麥考夫，還有比他小一歲的妹妹歐羅斯就住在那里。莊園門口的不遠處立著十幾塊墓碑，但都是空墳，墓碑上的名字和生卒年月都是假的。那時的夏洛克只知道玩海盜游戲，還不明白那些墓碑上的玄機，也不理會一直跟在他身邊的妹妹。歐羅斯在沒有玩伴的環境下成長，慢慢的，認知方面已經遠遠超過了常人的能力。也許是出于孩子間的妒嫉，歐羅斯把夏洛克的寵物狗“紅胡子”藏了起來，以懲罰夏洛克對她的忽視。要想找到“紅胡子”，只有弄明白她自己編寫的一首兒歌。歐羅斯反復的吟唱著，夏洛克卻無法理解，只能在莊園四周徒勞的尋找。直到歐羅斯開始吟唱“淹死的紅胡子”，大家也能大致猜到結果。之后歐羅斯變得更加一發不可收拾，縱火燒毀了莊園，政府只能來人把她帶走。夏洛克幼小的心靈由此受到創傷，性格大變，不再提“紅胡子”，也不再記得妹妹歐羅斯的存在。
這么多年里，麥考夫絕口不提此事。而普通的精神病院無法困住智商超高的歐羅斯，在麥考夫的安排下，他親手將妹妹送進了“地獄”，建在孤島上戒備森嚴的謝林富特秘密監獄。為了安慰父母，他謊稱歐羅斯再次縱火，并死于火場。可他萬萬沒想到，歐羅斯會再次出現在文明社會。剛說到這，房間里響起了歐羅斯的聲音。聲音越來越近，一架無人機從廚房的角落里升起，機載音響里播放著那首夏洛克一直未破解的兒歌，機頂上還有一枚手雷。麥考夫很熟悉這種手雷，正是他授權軍方購入。它的功能就是能感知周圍動靜，一旦有人活動就會引爆。劇烈的火焰伴隨著爆炸聲從貝克街221B的窗口噴出，夏洛克和華生在爆炸前從窗口躍出，只是不知道離房門最近的麥考夫是否安然無恙。
幸好手榴彈并未造成人員傷亡，反倒讓夏洛克更想見見自己的妹妹。麥考夫也決定借這個機會測試謝林富特監獄的安保措施，評估歐羅斯是否有進出的可能性。為此夏洛克不惜劫持漁船，靠近神秘的謝林富特所在的小島。異常接近的漁船馬上引起島上保安的警覺，從船上押下兩人。監獄長一眼就認出其中一人是大名鼎鼎神探夏洛克的搭檔華生醫生，那另一名老船工一定就是喬裝改扮的夏洛克。他命令旁邊的看守前往歐羅斯的監室，加強守衛。
可監獄長只猜對了一半，老船工卸下偽裝，麥考夫的面孔露了出來。而夏洛克化妝成保安模樣，押送著麥考夫和華生進了監獄，現在他正大搖大擺的奉命前去探視自己的妹妹。歐羅斯被關在特殊鋼化玻璃隔離的房間內，背對著入口拉著小提琴。似乎不用回頭看，就知道夏洛克正隔著玻璃看她。對這個多年不見的妹妹，夏洛克沒有太多的感情，只想知道她是如何離開監獄，又重新返回這里。歐羅斯并沒有回答，而是利用夏洛克迫切想知道答案的心理，誘導著夏洛克走向玻璃墻。夏洛克內心很抗拒，可又不得不照做。當走到玻璃隔墻前才發現，根本就沒有玻璃。歐羅斯躍過空玻璃邊框，雙手死死掐在他的脖子上。門外的警衛聽到聲響沖了進來，可他們不是為了解救夏洛克，而為了保護歐羅斯。夏洛克一時愕然，想不明白其中的原因。
華生卻已經知道了答案。他和麥考夫在監獄長辦公室，觀看著對歐羅斯精神鑒定的錄像。監獄長曾委托多名醫生對歐羅斯的精神狀態進行鑒定，可每次交談過后，醫生都像著了魔一樣。最可怕的一次，有名醫生出現幻聽，槍殺家人后自殺。麥考夫知道歐羅斯小時候就有這種能力，從對話中找到弱點并加以利用。隨著年紀越長，這種能力越來越強。其實最可怕的并不是醫生槍殺家人，華生聽出最后一盤錄像里，與歐羅斯對話的人是監獄長，也就是說監獄長已經在歐羅斯的控制之下。監獄長見被識破，立刻按響警報。警衛一擁而入，麥考夫和華生只好束手就擒。歐羅斯不是控制了監獄長，而是控制了整座監獄。
抓住麥考夫和夏洛克陪她玩游戲，這是歐羅斯從小的夢想，現在終于實現了。這個計劃從五年前的圣誕節就開始策劃，而且還多虧麥考夫的幫助。由于歐羅斯的高智商，麥考夫時不時的要向她求助，每次都要回饋禮物。第一次是小提琴，第二次就是五年前的圣誕節與莫里亞蒂不受監視的五分鐘交談。誰都不知道那五分鐘里，他們說了什么，可以想象的是莫里亞蒂之后的行為都是出自歐羅斯的安排。麥考夫和夏洛克不知不覺中一步步走進陷阱，自投羅網。
游戲開始了，夏洛克、麥考夫、華生和監獄長被關進同一個監室。監室的音響里時斷時續傳出一個女孩的聲音，聽內容像是被困在一架行駛的飛機中，其他人都昏睡不醒。夏洛克想幫助她，卻被歐羅斯掐斷了通訊。要想繼續對話，就必須解決第一個問題。監室里有把手槍，夏洛克可以要求麥考夫或者華生殺了監獄長，否則歐羅斯就會殺了監獄長的妻子。
監獄長看到電視屏幕中，自己的妻子被綁在椅子上。他沒有哀求歐羅斯，而是懇求夏洛克盡快動手。麥考夫嚴辭拒絕這種行為，華生本以為自己能狠下心來，可心中的道德準則卻使他無法摳動扳機。監獄長絕望之下，奪過手槍引彈自盡。這并沒有挽救回妻子的性命，歐羅斯仍抬手一槍，子彈正中監獄長妻子的眉心。她要讓監室里的三人明白，道德準則有時毫無用處，反而讓無辜之人死于非命。證明了這個道理后，歐羅斯要求夏洛克撿起地上的槍，到下一處監室繼續參與游戲。
為了給夏洛克一些動力，游戲開始前，歐羅斯再次接通了飛機上小女孩的電話。簡短的對話，只讓夏洛克確認飛機是在黑夜中行駛，去除了半個地球位置。第二個游戲是推理題，有人被桌上擺放的步槍從三百米外射殺，三個嫌疑人正被吊在窗外，窗下是陡峭的懸崖和鯊魚游弋的大海，夏洛克必須在規定時間里找到真正的兇手。華生認出這是把老式步槍，后座力很強。夏洛克由此排除了戴眼鏡的嫌疑人，不然他的臉上應當會留下瞄準鏡擊碎銀鏡造成的傷口。另一人有個酒槽鼻，雙手因長期酗酒而輕微顫抖，不可能在三百米外擊中目標。那剩下的一人就是真正的兇手。
如果在平時，警方會根據夏洛克的分析，進行調查確認后再逮捕兇手。可這一次僅憑一句話，就要結束一個人的生命。在這種情況下，夏洛克也不禁有些猶豫。但為了挽救飛機上的乘客，他還是做出了判決。答案是正確的，不過歐羅斯并不關心誰是兇手。窗外的三人都墜下了懸崖，在她看來，無辜和有罪沒有區別。
在下一個游戲開始前，夏洛克再次與飛機上的小女孩通話，知道了飛機正在向一座燈光閃耀的大城市飛去。如果不及時改變飛機航向，很可能會造成更大的傷亡。可這就要解決下一個謎題，一副棺材。從這副棺材的大小、做工上，夏洛克可以分析出是位女性，而且經濟并不寬裕。棺材蓋的銘牌上刻著“我愛你”，應當是與夏洛克關系不一般。排除了生活奢華的艾琳·阿德勒，那就只剩下一直暗戀夏洛克的茉莉。
這時，監室顯示器的屏幕上現出茉莉家廚房的影像，茉莉正在泡下午茶。歐羅斯在茉莉的家里安放了炸彈，夏洛克必須在三分鐘內讓茉莉說出“我愛你”三個字，否則就引爆炸彈。華生和麥考夫知道茉莉與夏洛克的往事，很清楚夏洛克的冷傲一次又一次傷了茉莉的心。誰都無法保證茉莉會在三分鐘之內，向夏洛克再次吐露心扉。在被拒接后，夏洛克仍不放棄，第二次才接通茉莉的電話。他近乎乞求的口吻，并在茉莉的要求下先說出這三個字，才終于讓茉莉滿懷委屈的說了“我愛你”。聽到這句話，監室里的三人總算松了口氣，屏幕上的倒計時只剩下了兩秒。
茉莉是出于真情說出了“我愛你”，可她也知道不可能和夏洛克在一起，說出這句話對她的精神是巨大的折磨。不論如何，夏洛克贏了這一局，可得到的只是歐羅斯的嘲笑。哪有什么輸和贏，歐羅斯根本沒在茉莉的屋子里安裝炸彈，反倒是夏洛克讓剛走出陰影的茉莉再次陷入痛苦。聽到這話，夏洛克再也按捺不住心中的怒火，將眼前的棺材砸得粉碎。
再憤怒也沒有用，游戲還要繼續。夏洛克和華生相互鼓勵著，走向下一個監室，這一幕被麥考夫看在眼里。第四個游戲更加殘酷，夏洛克手中的槍只有一發子彈，他只能從華生和麥考夫之中選擇一人繼續走下去，另一個人必須死在槍下。麥考夫聞言拋棄了平日的紳士風度，一幅理所當然的樣子讓夏洛克殺了華生這個“蠢蛋”。華生知道之后的游戲只會越來越難，需要高智商，自己只會成為夏洛克的拖累，所以他接受這樣的命運。可夏洛克不會這么想，但也不愿殺了自己的哥哥。因為他心里清楚麥考夫一反常態說這些話，只是為了讓他開槍時能安心，麥考夫已經做好了死的準備。麥考夫自認這些事追根究底是他的錯，是他五年前圣誕節犯下的錯，現在到了贖罪的時候。
五年前莫里亞蒂就曾預測麥考夫會自我犧牲，歐羅斯僅用五分鐘的布置就能讓福爾摩斯家族自相殘殺，夏洛克拒絕接受這樣的結果。他仿效監獄長的決定，把槍口抵在自己的下顎，要改變歐羅斯的游戲規則。歐羅斯的確沒想到夏洛克來這一手，急忙按下按鈕。墻壁中射出麻醉針，夏洛克只覺得后頸刺痛，然后人事不知。
不知過了多久，夏洛克被小女孩的聲音吵醒。耳機里傳來小女孩的呼救聲，從她的話語里夏洛克才知道自己昏迷了幾個小時，屋頂天窗的鐵柵欄上已透出月光。小女孩按夏洛克的要求摸索著走到駕駛室，找到了昏迷的駕駛員。前舷窗外能遠遠看到一條河和一個摩天輪，那一定是泰晤士河，還有“倫敦眼”。要讓小女孩從復雜的儀表中找到無線電向塔臺求救，那是不可能的。此時，夏洛克也無能為力，產生一種沮喪的感覺。
夏洛克環顧四周，只有水泥墻，沒看到華生和麥考夫。他呼喊了幾聲，麥考夫沒有回應，耳機里倒是傳來了華生的聲音。華生在一座井里，腳被鐵鏈鎖著。在井底，華生還找到了一些小骨頭，一時還分辨不出是人還是動物的遺骸。孤島上的監獄怎么可能有井，房間的桌底下還有一個寫著“紅胡子”的食盆，墻縫里隱隱有風吹進來，夏洛克立刻想到絕不可能是在謝林富特監獄。他狠踹水泥墻，墻應聲而倒。這座臨時搭建的木屋外，是家族的老宅，荒廢的馬斯格雷夫莊園。
在夏洛克的一生中，第一個案子就是尋找被妹妹藏起來的“紅胡子”。當年失敗了，如今又要面對同樣的問題，不然死的就是華生。這是歐羅斯第一個，也是最后一個謎題。相同的謎題，相同的兒歌。正當夏洛克百思不得其解時，華生在井底又發現了一些骨頭，并不是狗的骨頭，而是小孩子的頭骨。夏洛克這才想起自己的父親對狗過敏，不可能養狗。麥考夫把“紅胡子”說成是寵物狗的目的，到底是什么？
封存在腦海深處的記憶一點點被發掘出來，夏洛克想起來“紅胡子”是自己最好的玩伴維克多·特雷弗。夏洛克和維克多只顧玩著“紅胡子”和“黃胡子”的海盜游戲，對同齡的妹妹視而不見。在特雷弗被妹妹害死后，夏洛克就修改了自己的記憶，忘記了那段痛心的往事。現在他不允許再失去最好的朋友，夏洛克的大腦極速運轉著，要從兒歌中找到答案。
這時夏洛克想到了門外的墓碑，那些看似混亂的生卒年月，很可能就是密鑰。通過對歌詞編號重組，歐羅斯真實的想法逐漸清晰。童年的歐羅斯就意識到自己正在迷失，曾想向同齡的哥哥求助，卻一直被忽視。在密文的最后，歐羅斯請求哥哥到她的房間拯救她迷失的靈魂。
夏洛克終于明白了，沒有即將墜落的飛機。飛機上的小女孩就是歐羅斯，童年的她孤單的擺弄著手里的玩具飛機，就像那個小女孩一樣高高在上，卻不知何處降落，直至燃油耗盡，最終失去靈魂。夏洛克飛奔回到破落的莊園，沖進歐羅斯的房間。歐羅斯正在那里等著他，等待著結束最后的謎題，解救自己已失落多年的靈魂。
夏洛克及時從井底救出了華生，也在歐羅斯曾經呆過的監室里找到了麥考夫。歐羅斯在雷斯垂德警官的押送下，返回了謝林富特監獄。事情過后，麥考夫免不了被知道真相的父母大罵一頓。夏洛克無法把歐羅斯帶回家，但他能與父母一起到謝林富特探望妹妹。從這件事以后，歐羅斯拒絕開口說話，但這難不倒夏洛克。父親母親和麥考夫坐在玻璃融墻旁，傾聽著夏洛克與歐羅斯用小提琴聲交流。只有這樣，才能彌補歐羅斯童年失去的關愛，彌補她缺失的靈魂。
貝克街221B號經過重新裝修后，再次開業。為了恢復原貌，夏洛克還不忘在墻上開幾個槍眼。除了雷斯垂德外，茉莉也成了這里的常客。在照顧女兒蘿絲之余，華生又加入了夏洛克充滿冒險的生活。就像瑪麗生前希望的那樣，夏洛克和華生彼此扶持著，為這個罪惡的世界留下一線希望。