L’investigatore Sherlock Holmes (Robert Downey Jr.), in compagnia dell’assistente Watson (Jude Law), è chiamato a indagare sulla misteriosa morte del principe d'Austria. L'ispettore Lestrade è convinto che si tratti di suicidio ma Sherlock sospetta di essere di fronte a un omicidio e riconosce i segni che solo la mente malvagia del professor Moriarty (Jared Harris), rientrato a Londra da qualche tempo, potrebbe concepire. A complicare il lavoro dei due ci si mettono però Mycroft (Stephen Fry), fratello maggiore di Holmes, e la gitana Sim (Noomi Rapace), prossimo obiettivo dell'assassino. Molto più complicata del previsto, la risoluzione del caso porterà tutti quanti in un pericoloso viaggio per l'Europa, dall'Inghilterra fino in Svizzera.