Молодая американка Амелия переживает тяжёлую утрату: её мать становится жертвой загадочного убийства, оставив после себя лишь обрывочные намёки на прошлое, о котором дочь почти ничего не знала. Распутывая следы, Амелия делает поразительное открытие — её пропавшим отцом может быть не кто иной, как Шерлок Холмс. В надежде получить ответы она пересекает океан и оказывается на пороге его лондонского дома, не представляя, как известный сыщик воспримет её появление и неожиданное признание. Но судьба подбрасывает ей ещё более стремительный поворот: Холмс сам находится в эпицентре опаснейшего дела.
В этот момент Шерлок ведёт отчаянную игру против преступного синдиката, которым руководит коварный Мориарти. Тот похищает доктора Ватсона и миссис Хадсон, используя их как рычаг давления, чтобы сломить сопротивление сыщика. Холмс действует быстро и жёстко, пытаясь найти слабое место врага, но времени остаётся всё меньше. Появление Амелии с её шокирующей историей становится одновременно неожиданностью и дополнительным осложнением. Однако смелая девушка проявляет решимость, не желая быть просто сторонним наблюдателем: она готова помочь ему вернуть близких людей и противостоять Мориарти.
Работая бок о бок, они начинают распутывать одновременно две тайны — заговор преступного синдиката и происхождение Амелии. Шерлок вновь полагается на свой безошибочный дедуктивный метод и сеть информаторов, вытягивая из тени давно забытые факты. Амелия же, проявляя характер, всё сильнее становится частью расследования, и её присутствие заставляет Холмса по-новому взглянуть на собственное прошлое. Их общий путь приводит их к разгадкам, которые переворачивают представления каждого из них о семье, доверии и цене истины.