影片根据南希·斯普林格的《福尔摩斯小妹探案》系列小说改编，讲述埃诺拉16岁生日那天母亲突然失踪，她向哥哥们求助却发现，比起破解这个谜团，哥哥们更在意将她送去寄宿学校安定下来。于是埃诺拉逃去伦敦，开始自己的探案生涯，并且总能比哥哥们超前一步。

破获接手的第一起案件后，伊诺拉·福尔摩斯（米莉·波比·布朗 饰）追随著名的哥哥夏洛克（亨利·卡维尔 饰）的脚步，开办了自己的侦探事务所，却发现女性职业侦探的生活并不像看上去那么容易。在她不得不接受成年后的冷酷现实，准备关闭事务所时，一个身无分文的不幸女孩为她带来了第一单生意：寻找失踪的妹妹。但事实证明，这个案子比想象的要…