Bộ phim xoay quanh câu chuyện về Sherlock Holmes (Benedict Cumberbatch) - một thám tử tư với khả năng suy luận siêu phàm và cậu trợ tá John Watson (Martin Freeman) - một cựu binh chiến tranh ở Afghanistan. Hai nhân vật chính cùng nhau giải quyết những vụ án kỳ lạ và phức tạp ở London. Mỗi tập phim đều là một câu chuyện riêng, tập trung vào việc giải quyết một vụ án, trong khi đó các nhân vật phụ cũng được giới thiệu và phát triển trong suốt quá trình.