โฮมส์และวัตสันเดินทางไปลอนดอน เพื่อช่วยตามหาที่ปรึกษาเดิมและไขคดีที่ยังไม่คลี่คลาย ขณะเดียวกัน ไมครอฟท์ โฮมส์ น้องชายของ เชอร์ล็อก ได้เปิดเผยความลับบางอย่างของเขา ในตอนเริ่มต้นของซีซันที่สอง

เมื่อนักคณิตศาสตร์คนหนึ่งเสียชีวิต โฮมส์และวัตสันจึงต้องไปไขคดีฆาตกรรม และจุดประสงค์ของสมการที่ต้องปกป้อง ขณะเดียวกัน ลูกชายของคนไข้ที่เธอทำเสียชีวิตได้มาเรียกร้องเงินจากเธอ

เมื่อนักคณิตศาสตร์คนหนึ่งเสียชีวิต โฮมส์และวัตสันจึงต้องไปไขคดีฆาตกรรม และจุดประสงค์ของสมการที่ต้องปกป้อง ขณะเดียวกัน ลูกชายของคนไข้ที่เธอทำเสียชีวิตได้มาเรียกร้องเงินจากเธอ

เมื่อโฮมส์และวัตสัน ออกตามหาผู้ปล่อยข้อมูลลับรั่วไหล ทำให้ชีวิตของพวกเขาตกเป็นเป้าหมายของกลุ่มนักเคลื่อนไหวทางไซเบอร์ ขณะเดียวกัน โจนได้รับคำแนะนำจากเพื่อนให้สมัครใช้บริการหาคู่ออนไลน์

โฮมส์และวัตสันพบว่า กำลังขุดคุ้ยเข้าไปในโลกอันมืดมิดเพื่อค้นหาฆาตกร เมื่อพวกเขาศพอดีตนักฆ่า ขณะเดียวกันวัตสันช่วยเพื่อนสนิทตามหาชายลึกลับ

มีโจรบุกรุกบ้านของผู้กองเกร็กสัน โฮมส์และวัตสันได้พยายามตามหามือปืนสวมหน้ากาก ก่อนที่เขาจะลงมืออีก ขณะเดียวกันผู้กองเกร็กสันต้องให้ข้อมูลเเรื่องชีวิตส่วนตัวของเขาแก่ทีม

ไมครอฟต์ น้องชายของเชอร์ล็อค มานิวยอร์กเพื่อขอความช่วยเหลือจากโฮมส์และวัตสัน ให้ไขคดีของอดีตคู่หมั้นของเขา ขณะเดียวกันเชอร์ล็อกก็ลำบากในการยอมรับความสัมพันธ์ของ ไมครอฟต์และโจน

เมื่อสาวสวยถูกฆาตกรรม โฮมส์และวัตสันต้องสืบสวนหาความสัมพันธ์ของเธอกับซีอีโอมหาเศรษฐี ขณะเดียวกันไมครอฟต์ยื่นเรื่องให้เชอร์ล็อกย้ายกลับลอนดอน

โฮมส์และวัตสันค้นพบตัวตนของฆาตกรต่อเนื่อง ซึ่งเป็นคดีที่ปิดไม่ลง และเขายังพบว่าตัวเองเข้าไปเกี่ยวข้องกับตำรวจนิวยอร์ก

เมื่อการสืบสวนผิดพลาด เชอร์ล็อกจะต้องเป็นพยานอย่างเป็นทางการ ซึ่งเป็นอันตรายต่ออนาคตของเขาและวัตสันกับตำรวจนิวยอร์ค

When a hedge fund manager who was also running a Ponzi scheme is murdered, Holmes and Watson must determine which of his clients is guilty. Also, Sherlock contemplates sponsoring a fellow recovering addict.

Holmes and Watson come face to face with Moriarty when their one-time adversary is brought in as a consultant on a kidnapping case. Meanwhile, Detective Bell continues his struggle on the road to recovery.

When a body is found in a barrel, Holmes and Watson launch an investigation into the mafia’s ties to the murder. Meanwhile, Sherlock attempts to make amends with Detective Bell.

Joan discovers an unsolved murder connected to a rare prehistoric fossil when she reviews one of Sherlock's cold cases; Sherlock's responsibilities as a sobriety sponsor cross personal boundaries.

Tensions rise when Holmes and Watson are forced to partner with Gareth Lestrade, Sherlock’s former Scotland Yard colleague, on a bombing investigation.

Holmes and Watson consult on a case in which a man suspected of murdering his wife years ago receives a ransom demand for her safe return. Meanwhile, Lestrade overstays his welcome at the brownstone and seems unwilling to leave.

When a famous cancer researcher is found dead, Holmes and Watson must determine if the scientist’s untimely demise was tied to his latest cutting-edge invention. Meanwhile, Bell is finally cleared to re-enter the field.

A serial killer known for biting his victims appears to be killing again, even though he was presumed dead.

A pickpocket dies of anthrax poisoning, putting Holmes and Watson on the trail of the toxin’s source in order to prevent more deaths.

When Sherlock’s brother Mycroft makes a surprise return to New York, his motivations cause discord between Sherlock and Joan. Meanwhile, a missing person case takes Sherlock and Joan inside the world of unmanned aeronautics.

Business becomes personal for Sherlock when he is forced to partner with his estranged brother, Mycroft, to solve a case with life-or-death consequences.

Holmes and Watson come into contact with MI-6, the British intelligence agency, when a standard murder investigation turns out to have international and political implications. Meanwhile, in the wake of a crisis, Watson reevaluates her relationships with Sherlock and his brother, Mycroft.

Rising tension between Sherlock and Joan brings their partnership to a crossroads, but they endeavor to put their differences aside while they help Sherlock's brother, Mycroft, who faces accusations of treason and murder.