夏洛克的重新歸來由一個安德森假想的故事開始。安德森假想夏洛克的假死是使用的假面具和一個催眠師的幫助。但是這個推測隨即被雷斯垂德探長給否決了。探長認為這是因為安德森一直以來的愧疚情感在作怪，因為安德森認為是因為自己的誤解導致了夏洛克的自殺。而就在這個時候，麥考夫親自潛伏進入了塞爾維亞，救出了在那里正在被嚴刑逼供的夏洛克。麥考夫表示現在倫敦有一個地下網絡正在活動，夏洛克需要對付這個地下網絡進行的恐怖活動，夏洛克正式回歸倫敦。
華生再次來到了貝克街221B，見到了哈德森太太。因為上次夏洛克自殺的事情，華生至今不愿意使用手機和朋友們聯系。哈德森太太見到華生十分傷感，華生告訴哈德森太太自己有了新的戀人，并且打算結婚了。華生再次重申了自己和夏洛克不是戀人，自己不是基佬。麥考夫告訴夏洛克自己至今仍然沒有告訴華生夏洛克仍然存活的消息，哈德森太太也不知道。
夏洛克打算給華生一個驚喜。夏洛克來到華生所在的餐館，這個時候華生正在打算向瑪麗求婚。夏洛克假扮成侍者，出現在了華生的面前。夏洛克一如既往的毒舌，這讓華生當即揍了夏洛克一頓。夏洛克向華生解釋了自己失蹤并且隱瞞消息的原因，結果被華生再次揍了一頓。夏洛克邀請華生和自己一起去破案，但是被華生拒絕了，夏洛克再次被揍了一頓。
失去了助手的夏洛克只能邀請茉莉作為自己的助手幫助自己破案。華生因為夏洛克和瑪麗都不喜歡自己的胡子刮去了胡子，并且被瑪麗嘲笑了一頓。茉莉有了對象，不能夠繼續跟著夏洛克在一起破案。夏洛克開始正式著手對付倫敦的地下網絡的恐怖襲擊，但是此時下定決心來到221B打算幫助夏洛克的華生卻被人綁架走了。夏洛克騎著機車帶著瑪麗趕到了篝火節，救出了在火堆里差點被火燒的華生。
一個在火車上工作的工作人員發現了地鐵里面的怪事，夏洛克和華生順藤摸瓜，發現了地鐵案件的陰謀。具體情況是在鐵路的某一處有一間廢棄的地鐵隧道，有人在這個隧道里面安裝了炸彈。華生和夏洛克來到了這個廢棄的車廂里面，發現里面到處都是炸彈。夏洛克假稱自己不會拆彈，并且哭泣著對華生道歉。華生最終原諒了夏洛克，聲稱對方是自己見過最聰明最偉大的人。但是這只是夏洛克為了贏取原諒的一個手段，夏洛克成功的拆除了炸彈，避免了大本鐘和國會議員的爆破危機。
夏洛克找到了安德森，解釋了自己當初在天臺上成功脫逃的計劃，但是安德森對此仍然有懷疑。地鐵案件雖然成功爆破，但是夏洛克仍然懷疑這件事情背后仍然有推手，打算深入調查這件事情。地鐵炸彈的兇手被抓了起來，案件只是表面上獲得了破案。不管如何，倫敦的神探終于重返了貝克街221B，帶著他的忠誠跟隨的助手華生，再次為著各種艱難的案件深入的調查著。
雷斯垂德探長眼見得就要抓到自己抓捕了一年多的犯人，然而這個時候夏洛克忽然發來了短信，短信里面寫著救命。雷斯垂德咬牙放棄了抓到犯人的功勞返回了貝克街221B，卻發現夏洛克只是因為華生的婚禮苦惱著，因為華生邀請夏洛克成為自己的伴郎，并且伴郎要在婚禮上發表演說。夏洛克因為這件事情很是苦惱。哈德森太太給夏洛克送來了早茶，并且安慰夏洛克婚姻能夠徹底的改變一個人，這反而讓夏洛克感覺更糟了。夏洛克為了華生的婚禮一直處于緊張狀態，瑪麗要華生給夏洛克找幾件案子分散注意力。婚禮如期舉行，伴娘對夏洛克進行了調情，但是夏洛克不為所動。
婚禮上叫做大衛的男人出現，瑪麗很是欣喜，但是大衛卻不敢靠近瑪麗。這是因為夏洛克提早調查了大衛，并且警告對方以后不要對瑪麗繼續抱有愛慕的心思，如果見面也必須在華生在場的情況下。夏洛克威脅了大衛，大衛很是驚慌。婚禮上華生的老上司肖爾托上校出現，華生十分驚喜。婚禮上面夏洛克開始致伴郎發言，言辭懇切，情感真摯。夏洛克被華生作為此生最愛的兩個人之一邀請參加了婚禮，并且被稱作華生最好的朋友，這個發現讓夏洛克十分的震驚，幾乎要感動到說不出話來。婚禮上面大家都被夏洛克的發言打動了。隨后夏洛克開始講述關于華生的有趣的故事，大部分都是和夏洛克在一起的破案劇。在大部分的案件中，華生都表現了自己的勇敢、果決和忠誠。女王衛兵離奇死亡案中，華生表現了自己作為一個軍醫的專業素養，這讓夏洛克印象深刻。
在幽靈約會案件里面，夏洛克和華生度過了華生的單身之夜，兩個人在街頭喝的爛醉，最終被雷斯垂德從監獄里面撈出來。在幽靈約會案件中，一些女性和一名男子進行了一夜的約會，結果這名男子卻神秘的失蹤了。夏洛克在一時之間并沒有意識到這兩個案件之間的關系。但是隨后在婚禮上舉杯祝詞的時候，夏洛克明白了這兩個案件的關聯之處，是有人想要在婚禮上刺殺華生的上司。隨后夏洛克用自己的機制果決制止了這件案件的發生，婚禮得以順利的進行。華生和瑪麗在夏洛克優美的小提琴聲中翩翩起舞，茉莉和自己的男友也幸福的擁抱在一起。婚禮后的舞會繼續進行著，宴會上面熙熙攘攘，而夏洛克一個人穿上大衣在夜色中獨自離開。
華生受到了一個朋友的請求，來到了一個年輕人吸毒的聚集地幫忙尋找這位朋友吸毒的兒子。他沒有想到的是自己在這里居然遇到了夏洛克。為了一件案子，夏洛克開始重新吸毒，麥考夫對此相當生氣，但是夏洛克卻堅持聲稱自己是因為破案所以才開始吸毒。華生把夏洛克帶回貝克街，驚訝的發現夏洛克竟然有了女友，這位女友正是自己婚禮上的伴娘潔琳。但是隨后華生發現，夏洛克之所以和自己的伴娘約會是因為夏洛克在查的案件。夏洛克假裝要求婚，混進了馬格努森的辦公室，華生也和夏洛克一起。然而就在夏洛克發現馬格努森被人威脅的時候，威脅者轉過頭，這個人竟然是華生的新婚妻子瑪麗。
瑪麗為了保護自己的身份不被發現，開槍射擊了夏洛克。夏洛克用盡自己所有的知識保護了自己，重傷之下得以存活。原來瑪麗曾經是政府特工，因為厭倦了刀頭舔血的生活所以隱居下來，和華生結婚。華生從清醒過來的夏洛克那里得知了瑪麗的身份，但是最終選擇了原諒瑪麗，因為夏洛克并沒有說出來是瑪麗射擊的自己。瑪麗的資料被馬格努森掌握用來威脅對方，除此以外馬格努森也擁有許多隱秘的資料用來威脅西方的各個國家，麥考夫對此也受到了相當大的威脅。為了保護瑪麗，夏洛克和華生再次找到了馬格努森，但是馬格努森也是一名出色的犯罪者，記憶能力相當高超。夏洛克以為對方有隱秘的倉庫用來儲存威脅的資料，但是最終發現這些資料只存在于馬格努森的記憶里。
為了保護瑪麗的身份不被發現，也為了保護麥考夫和國家的利益，夏洛克毅然開槍在警察面前打死了馬格努森，自己因此獲罪。為了保護自己的弟弟，麥考夫只能把自己的弟弟遠送國外，送到東歐做臥底半年。華生和瑪麗送夏洛克離開，但是夏洛克始終沒有告訴華生是瑪麗射擊的自己。在夏洛克離開后，莫里亞蒂的視頻被播放到了全國的電視信號上，原來莫里亞蒂竟然在當初的墜樓案中沒有身亡，一切迷霧重重……為了揭穿莫里亞蒂未亡的真相，夏洛克再次被麥考夫召回倫敦，解決案件。
（全劇終）