Le film se déroule à Londres en 1891, où Holmes et Watson enquêtent sur une série de crimes apparemment sans rapport, notamment la mort d'une jeune femme nommée Blackwood et un complot visant à faire sauter les Chambres du Parlement. En approfondissant l'affaire, ils découvrent que Blackwood n'est peut-être pas aussi mort qu'on le pensait à l'origine et qu'il fait partie d'un complot plus large impliquant l'occultisme et la magie noire. En cours de route, Holmes et Watson sont assistés par une gitane ingénieuse nommée Simza, et doivent également faire face à la rusée et dangereuse Irene Adler. Au fur et à mesure que l'enquête progresse, Holmes doit utiliser ses compétences déductives et ses prouesses physiques pour découvrir la vérité et empêcher le méchant Blackwood de mettre à exécution son sinistre plan.