El Londres de finales del siglo XIX se ve asolado por una serie de desapariciones de niños, que acaban siendo víctimas de brutales asesinatos. La policía es incapaz de resolver el caso, pero William James Moriarty descubre una pista que vincula a todas las víctimas, por lo que él y sus hermanos se interesan por el caso.

El sistema de clases, en el que las personas nacen con un estatus de por vida, ha creado discriminación entre los humanos. Albert, hijo del Conde Moriarti, detesta este sistema de clases. Por casualidad, conoce en una institución caritativa a un joven huérfano con una capacidad sobresaliente para aconsejar a cuantos se le acercan solicitando ayuda, lo que despierta el interés de Albert.

Por recomendación de Albert, el joven huérfano y su hermano enfermo son adoptados por la familia Moriarty, pero no son bien recibidos por los demás miembros de la familia por pertenecer a la clase baja. Albert, cada vez más afectado por la intolerancia de su familia, resuelve recurrir a medidas drásticas.

William comienza a enseñar en una universidad y es invitado a cenar en casa del vizconde de Belfor. Tras la cena, el vizconde guía a William y sus hermanos en un recorrido por su orgulloso invernadero, pero se quedan desconcertados por lo que oyen del jardinero y su esposa.

William se entera de que Lucian, uno de sus estudiantes en la Universidad de Durhnam, no ha regresado en tres días. Es más, la camarera que Lucian había jurado amar se lanza desde un puente y muere. Sin embargo, uno de los administradores de la universidad le asegura a William que no hay nada de qué preocuparse, pero William no está de acuerdo y comienza a investigar los últimos movimientos de Lucian.

William finge creer la mentira de Blitz de que mató a Thomas en defensa propia y se ofrece a encubrir el crimen. Juntos arrojan al mar a Thomas, aunque Fred y Sebastian recuperan el cuerpo en secreto. La noche siguiente, durante un ballet a bordo, William se acerca a Blitz y le hace una sorprendente revelación.

Holmes tiene dificultades para pagar a su casera, la señorita Hudson, el alquiler en Baker Street, 221B. Ante tal situación, su amigo Stamford le sugiere que busque un compañero de apartamento y le recomienda al doctor Watson, quien Holmes deduce que se trata de un doctor retirado de la guerra de Afganistán. Sin embargo, tan pronto se conocen, Sherlock es arrestado por el inspector Lestrade de Scotland Yard acusado del asesinato del conde Drebber.

Buscando al verdadero culpable del asesinato del conde Drebber, Sherlock y John preparan una trampa al criminal usando como señuelo el anillo de bodas que encontraron en la escena del crimen. Finalmente, Sherlock es capaz de deducir quién es el verdadero asesino, quien le ofrece un extraño trato.

Holmes se siente frustrado ante la idea de que haya una mente maestra detrás de los casos del Noahtic y Drebber, cuya identidad se le escapa, y descarga su frustración con John. Después de una investigación insatisfactoria sobre la muerte de un tercer noble, Holmes tiene un encuentro casual con William en un tren.

Sherlock y William se proponen encontrar al culpable de un asesinato cometido en el tren en que viajan antes de que transcurran los 48 minutos que faltan hasta la próxima estación. Sherlock confía en la disposición de la escena del crimen, mientras que William busca un perfil psicológico del asesino.

Mycroft, el director del Servicio de Inteligencia Militar, le ordena a Albert que recupere unos documentos confidenciales que podrían sacudir la nación y que mate a la mujer que los robó. Sherlock es contratado por el rey de Bohemia para perseguir a Irene Adler, quien amenaza los planes de boda del rey.

Siguiendo el plan de William, Albert invita a Irene a una mascarada, donde se juega un juego con el famoso “Amo del Crimen” como tema. Vestida como un hombre, Irene usa el juego para contactar con Albert, suplicando por su seguridad a cambio de los documentos robados.

A pesar de que Sherlock reconoce que Irene está lidiando con el Amo del Crimen, la deja ir. Irene negocia con el Amo del Crimen en una iglesia abandonada, pero antes de que pueda entregarle los documentos, llega Sherlock y hace un trato para mantener a Irene a salvo.

Al recibir un nuevo nombre, Bonde se une a las filas de Moriarty y es enviado a recuperar el contenido de una caja de seguridad con Moran, Louis y Fred. Pero cuando un atraco inesperado a un banco incita a los demás a una acción espontánea, Bonde se pregunta qué hacer.

Alguien que dice ser Jack el Destripador está cometiendo una serie de asesinatos. En respuesta, un grupo de justicieros de los pobres de la ciudad se enfrenta a Scotland Yard mientras William y el verdadero Jack se esfuerzan por descubrir los objetivos del auténtico culpable y frustrar sus planes.

Un culpable es arrestado en el caso de Jack el Destripador que fue resuelto por los Moriarty. Ante la sospecha de un montaje por parte de Arterton, Lestrade le pide ayuda a Sherlock para encontrar las pruebas que lo demuestren. Mientras tanto, Paterson trabaja para infiltrar a Bonde en la comisaría.

William eclipsó a los adultos en conocimiento y valentía mientras salvaba el orfanato donde se hospedaba. Los registros judiciales indican que William le prestó a un noble seiscientas libras y firmó un contrato basado en cierta obra de teatro. Pero cuando se rompe el contrato, William toma medidas drásticas.

Adam Whiteley, un joven diputado de la Cámara de los Comunes que trabaja por una sociedad equitativa, obtiene el apoyo del público como un “Caballero Blanco”. Milverton es contratado por quienes se oponen a Whiteley para destituirlo. William se interesa por Whiteley y decide ponerlo a prueba.

Whiteley va solo a tratar con la Cámara de los Lores llevando la prueba irrefutable que Albert obtuvo, pero se encuentra a Milverton, el rey de los chantajistas. Aunque Whiteley negocia con él, las garras diabólicas de Milverton se cierran sobre su querido hermano.

John le presenta a Sherlock a Mary, su prometida. Un Sherlock atónito se da cuenta de que Mary tiene otra preocupación. Esta saca seis perlas y les detalla su conexión con su padre desaparecido. Ella le pide a Sherlock que investigue el asunto, pero está ocultando algo.

Milverton chantajea a Mary, explotando su coqueteo en actividades antigubernamentales cuando era estudiante. Sherlock decide colarse en la propiedad de Milverton para robar las pruebas, pero incluso ese acto fue anticipado. Sherlock descubre que no es el único intruso.

Cuando William James Moriarty se atribuye la responsabilidad de ser el Amo del Crimen en todos los periódicos, la condena aristocrática y la ira pública recaen sobre los Moriarty. El problema final del Plan Moriarty que William ha elaborado por fin comienza.

William tiene como objetivo completar su plan con su muerte, mientras Albert y los demás desempeñan sus roles. Mientras tanto, Sherlock deduce la verdadera razón por la que William lo eligió para derrotar al Amo del Crimen. Con vistas a Londres, la pareja se enfrenta por última vez.