1891年のロンドン。名探偵シャーロック・ホームズ（ロバート・ダウニー・Jr）は、相棒のジョン・ワトソン（ジュード・ロウ）とともに新たな難事件に挑むことになる。それは、貴族でありながら秘密結社を結成し、魔術で世界を操ろうと企むブラックウッド卿（マーク・ストロング）を捜し出して捕まえるというものだった。だが、非情な野心とずば抜けた頭脳を持つブラックウッド卿は、ホームズとワトソンにとって恐るべき相手であった……。