Знаменитый сыщик Шерлок Холмс и его неизменный помощник доктор Ватсон продолжают серию своих расследований. Действие фильма происходит в Лондоне в 1888 году, объединяя две различные сюжетные линии.

К героям в их квартиру на Бейкер стрит приходит молодая девушка по имени Мэри Морстен. Она просит Холмса и Ватсона помочь ей в разгадке тайной истории. Много лет назад отец девушки, служивший в Индии, бесследно исчез, а спустя некоторое время она начинает получать по почте ежегодно по одной жемчужине. Холмс и Ватсон выясняют, что мисс Морстен является наследницей большого состояния, но на него претендуют и другие люди - сыновья майора Шолто и опасный каторжник Джонатан Смолл.

Попутно герои вспоминают о другом деле, которое им пришлось распутывать раньше. К Шерлоку Холмсу обратился некий господин под чужим именем, который на самом деле был королем Богемии. Будучи наследным принцем, он завел любовную интрижку с авантюристкой Ирэн Адлер, и свидетельством той связи являются их совместные фотографии. Теперь король собирается жениться на знатной особе и просит Холмса добыть те снимки, во избежание крупного скандала.