Podczas wieczoru kawalerskiego doktora Johna Watsona (Jude Law) na drodze słynnego detektywa pojawia się cygańska wróżbitka Sim (Noomi Rapace) przez przypadek wplątana w morderstwo austriackiego księcia i uciekająca przed dybiącym na jej życie tajemniczym zabójcą. Kiedy Holmes ratuje jej życie, Sim - aczkolwiek niechętnie - zgadza się mu pomóc w walce z profesorem Moriartym.

Śledztwo, które detektyw prowadzi wspólnie ze swoim przyjacielem doktorem Watsonem i piękną cyganką poprowadzi go z Anglii do Francji, Niemiec i Szwajcarii. Jednak profesor Moriarty, mimo największych starań Holmesa, zawsze o krok wyprzedza słynnego detektywa. Czas mija nieubłaganie, a geniusz zła jest coraz bliższy zrealizowania swojego demonicznego planu, który zmieni historię świata. Czy Holmesowi uda się go powstrzymać?