שרלוק הולמס (רוברט דאוני ג'וניור) הוא בלש מפורסם וחריף במיוחד, שמצטיין ביכולותיו המיוחדות לפענח תעלומות מורכבות. לצד עוזרו הנאמן דוקטור ווטסון (ג'וד לאו), הולמס מוצא את עצמו מעורב בפרשה מסוכנת שמאיימת על ביטחונה של בריטניה כולה. השניים נאלצים להתמודד עם קונספירציה מתוחכמת ואלימה, שמאחורי הקלעים מתכננת להשיב את הממלכה לאפלה וחורבן. הולמס, עם כישורי הלחימה הקטלניים שלו, ווטסון, שמביא איתו גם ניסיון רפואי וגם נאמנות בלתי מתפשרת, יוצאים למסע מסוכן של חקירה, רדיפה וחשיפת האמת. במהלך העלילה, הולמס יוצר קשר אינטימי ומורכב עם אישה משמעותית (רייצ'ל מקאדמס), שמוסיפה נדבך רגשי לסיפור ומאתגרת את גבולותיו האישיים. הקשר ביניהם מעלה שאלות על אמון, צדק ונאמנות בתוך עולם של רמייה ומזימות. יחד הם מנסים לנתץ את התוכנית האפלה שמאיימת על האומה ולהביא צדק למי שנפגע. הסיפור משלב מתח, פעולה וחקירה אינטלקטואלית, כשהדמויות מתמודדות עם סכנות פיזיות ונפשיות כאחד. שרלוק הולמס ושותפו ווטסון חייבים לפעול במהירות ובתושייה כדי למנוע אסון, כשהם נעים בין סצנות של חוכמה, אומץ וסיכון גבוה. היחסים בין הדמויות המרכזיות, לצד האיום המתמשך על בריטניה, הופכים את העלילה למורכבת ומרתקת, כשהעתיד תלוי ביכולתם לחשוף את האמת ולהתגבר על אויבים חזקים ומסוכנים. הסרט מציג גם את דמותו של פרופסור מוריארטי, האנטגוניסט הראשי, שמגלם מארק סטרונג, המהווה את המוח מאחורי הקונספירציה המסוכנת. מוריארטי הוא אויב מבריק וערמומי, שמאתגר את הולמס לא רק פיזית אלא גם מבחינה מנטלית. בנוסף, דמותה של אדית, אותה מגלמת רייצ'ל מקאדמס, מוסיפה עומק רגשי לעלילה ומספקת נקודת מבט אנושית בתוך עולם של מתח ומסתורין. הבימוי של גאי ריצ'י מעניק לסרט קצב מהיר, סצנות פעולה מרשימות ושילוב של הומור ודרמה, מה שהופך את הסרט ליצירה קולנועית מרתקת שמצליחה לרענן את דמותו הקלאסית של שרלוק הולמס לעידן המודרני.
