伊諾拉·福爾摩斯（米莉·波比·布朗飾）在破獲首起案件后，決心效仿哥哥夏洛克（亨利·卡維爾飾）的職業道路，在倫敦貝克街開設了自己的偵探事務所。然而她很快發現，維多利亞時代社會對女性偵探的排斥遠超預期，接連遭遇委托荒蕪與職業歧視。正當她被迫考慮關閉事務所時，一位身無分文的女孩露西（漢娜·多德飾）登門求助，請求尋找失蹤的妹妹艾格尼絲。伊諾拉在調查中發現，這起看似普通的尋人案竟牽扯出倫敦東區工廠童工剝削、西區音樂廳的地下賭場，以及上流社會秘密社團的三重陰謀。隨著調查深入，她不得不在夏洛克提供的密室機關、化學實驗室等專業協助下破解密碼信件，同時與試圖掩蓋真相的黑幫勢力周旋。最終伊諾拉揭露了艾格尼絲被綁架作為政治要挾籌碼的真相，成功解救被困少女，并在貝克街221B的案件卷宗里寫下屬于自己的偵探宣言。