《波西米亞醜聞》改編。

在福爾摩斯與莫里亞蒂生死相搏的緊張時刻，一通神秘電話的到來改變了戰局。電話那頭，一個妖嬈女人的手出現在畫面中，她掌握著莫里亞蒂極度渴望的東西。同時，福爾摩斯與華生回到貝克街，繼續處理各種案件。夏洛克因華生的部落格成為了“網路紅人”，引來更多尋求幫助的人，但大多數案件在他們眼中都顯得無聊至極。

某日，貝克街迎來了一位昏倒的男子，他帶來的案件是關於驢子友的死因。夏洛克認為此案不值得他親自出馬，於是華生代替他前往現場調查。然而，在兩人視訊交流的過程中，貝克街突然出現了不速之客，他們要求夏洛克換上正裝前往某個地點。同時，華生也收到了一架直升機的接送邀請。

原來，這一切都是麥考夫爵士的安排，他們被邀請到白金漢宮會見一位位高權重的委託人。這位委託人因為不雅照片落入了艾琳·艾德勒的手中而陷入困境，麥考夫希望夏洛克能夠找回這些照片。就在此時，艾琳也收到了夏洛克的照片，一場關於智慧與勇氣的較量悄悄展開。

夏洛克裝扮成被搶劫的樣子混入艾琳的家中，目睹了全裸的艾琳。艾琳毫不掩飾地指出了夏洛克的來意，而華生則在門口觸發火警，使得艾琳在驚慌中看向室內的鏡子，從而讓夏洛克發現了保險箱的所在。就在夏洛克即將破解密碼​​之際，幾個持槍的美國人闖入房間，逼迫夏洛克打開保險箱。

面對危機，夏洛克、艾琳和華生聯手製服了敵人，並趁機順走了保險箱裡的秘密手機。然而，他們隨即被發現，艾琳在夏洛克注射了昏迷劑後逃走。雖然夏洛克在這次交鋒中吃了虧，但他在與艾琳聊起驢友之死一案時，覺得“英雄惜英雄”，對她產生了好感。

麥考夫發現美國情報局插手此事後，警告夏洛克不要再管艾琳的事情。聖誕節時，貝克街舉辦了派對，夏洛克收到了艾琳的禮物──正是那支手機。在停屍庫裡，夏洛克發現了艾琳被毀容的屍體，情緒十分低落。然而，艾琳突然出現帶走了華生，告訴華生她沒有死，希望華生可以把她的手機從夏洛克那裡拿回來。夏洛克尾隨華生發現艾琳還活著，精神恍惚地回到貝克街後，發現美國情報人員綁架了房東哈德森太太，要求他交出手機。夏洛克意識到手機裡的東西不只是艷照那麼簡單，他收拾了歹徒，救了哈德森太太。

落難的艾琳來到了貝克街，手機裡的密碼設定是「I'm_ _ _ locked」（我被 _ _ _鎖住了），需要在中間填上密碼。夏洛克試了幾次不成功，只好把手機交給艾琳。艾琳有一份國安局的郵件密碼，夏洛克為她破解了出來，原來是恐怖分子要在航班上裝炸彈的航班號碼。艾琳偷偷把訊息發給莫里亞蒂，而後莫里亞蒂則傳簡訊給麥考夫証諷英國情報部。麥考夫知道計畫敗露後，將夏洛克約了出來。

原來英國和美國都在恐怖分子高層有臥底，將炸彈計畫洩漏給情報部。但是為了保護臥底的安全，他們不能直接阻止恐怖攻擊，於是他們就用屍體偽裝乘客來迷惑恐怖分子。然而這個計劃被夏洛克破解之後被艾琳透露給了和恐怖分子有聯繫的莫里亞蒂，導致計劃失敗。艾琳用手機裡剩下的機密要挾麥考夫交換大筆的條件和自身的安全，她坦言在玩弄夏洛克。

然而，夏洛克透過他們說話時艾琳脈搏加快、瞳孔放大的反應明白了艾琳對他的感情。所以他解開了密碼「I'm sher locked」（我被夏洛克困住了），表明艾琳愛上了夏洛克。艾琳知道秘密不在手的自己性命難保，她請求夏洛克幫助自己，但夏洛克什麼也沒說就離開了。幾個月後，麥考夫來找華生，告訴他艾琳被恐怖份子斬首了，希望他不要告訴夏洛克實情，就說艾琳在美國被當作證人保護起來了。華生這樣告訴夏洛克，夏洛克要求把艾琳的那個拍照手機幫他保管。

手機裡有許多艾琳給他發的短信，大多是“我們一起吃晚餐吧”，最後一條是和他道別。畫面轉到艾琳被斬首的現場，艾琳發送最後一條短信向夏洛克告別後認命的閉上了眼睛。但接著她聽到自己給夏洛克設置的特殊的短信提示音，轉頭看見夏洛克偽裝成恐怖分子的處斬人，對她說「我一說跑，你就跑。「夏洛克則將艾琳作為「那個女人」一直記在心裡——唯一一個打敗過自己的女人。