בפתח העונה, שרלוק ו-ווטסון נוסעים ללונדון כדי לחפש בלש שעבד עם שרלוק, ומסייעים לו עם החקירה שבגללה הושעה מהסקוטלנד יארד. במקביל, אחיו של שרלוק שב לחייו.

הולמס ו-ווטסון יוצאים לפתור רצח מסתורי של גאון מתמטיקה ומגלים כי הוא עבד על נוסחה מסתורית, וכעת הם מנסים למצוא חשודים. בינתיים, ווטסון מבולבלת כאשר בנו של מטופל לשעבר שלה מבקש ממנה הלוואה.

ווטסון והולמס יוצאים לאתר קבלן אזרחי שאחראי להדלפת מידע מסווג, אך קבוצת פעילי סייבר מנסה לעצור אותם. בינתיים, גואן מקבלת עצה מחברה ונרשמת לאתר הכרויות.

ווטסון והולמס נקראים לחקור רצח של יו"ר חברת ייעוץ פיננסית שהורעל למוות. בינתיים, אישה מעברו של הולמס מתגלה כחשודה אפשרית.

הולמס ו-ווטסון מוצאים את עצמם חופרים בעולמה האפל של המאפיה כדי למצוא רוצח מסתורי. בינתיים, ווטסון עוזרת לחברה קרובה לאתר את גבר חלומותיה.

קפטן גרגסון מאפשר לווטסון ולהולמס להיכנס לביתו הפרטי, לאחר שפולש חמוש חדר לביתו. בינתיים, ווטסון והולמס מתחילים לחקור את המקרה ומגלים תפנית מפתיעה בחקירה.

אחיו של שרלוק מגיע לניו-יורק, ומגייס את שרלוק ו-ווטסון לעזור לו לפתור מקרה בה מעורבת ארוסתו לשעבר. כשמערכת היחסים בין שני האחים נראית מתוחה, ווטסון מגלה כי ארוסתו לשעבר של אחיו של הולמס היא המקור למחלוקת ביניהם.

כשצעירה יפהפייה נרצחת, הולמס ו-ווטסון חוקרים את מערכת היחסים שלה עם מנכ"ל מיליארדר. בינתיים, מייקרופט מנסה לשכנע את שרלוק לעבור ללונדון.

הולמס ו-ווטסון חושפים את זהותו של רוצח סדרתי, שהתיק שלו הוקפא. כעת מוצאים עצמם השניים מתמודדים על המקרה מול משטרת ניו יורק שמאיימת לקחת אותו מידיהם.

כשחקירה של שרלוק משתבשת ומובילה לאסון, עליו להעיד בבית המשפט, מה שמעמיד את עתידם של ווטסון ושרלוק בסכנה.

ווטסון והולמס יוצאים לחקור מי מבין לקוחותיו של מנהל קרנות בכיר, שהפעיל הונאת פונזי גדולה, אחראי למותו. בינתיים, הולמס שוקל להיות ספונסר של מכור לשעבר.

הולמס ו-ווטסון נפגשים פנים מול פנים עם מוריאטרי, כאשר היא מובאת לחקירה בתור יועצת. הבלש בל ממשיך במאבק השיקום שלו.

גופה נמצאת בחבית, וחקירת המקרה מובילה את הולמס ו-ווטסון אל המאפיה. בינתיים, הולמס מנסה לאחות את הקרע בינו ובין בל.

ווטסון חוזרת אל תיק ישן של שרלוק ומגלה רצח לא פתור הקשור למאובן פרה-היסטורי נדיר. הולמס מוצא את עצמו בטריטוריה לא מוכרת כשחובותיו כמשגיח פיכחות חוצות את הגבולות האישיים שלו.

החקירה החדש של הולמס לוקחת אותו אל חברת ריקוד מקצועית, כאשר בלרינה צעירה נרצחת. ווטסון יוצאת למשימה פרטית לאתר יוצא-צבא הומלס שחברו טוען כי נחטף.

הולמס ו-ווטסון חוקרים אירוע של פיצוץ, ונאלצים לשתף פעולה עם גארת' לסטרד, שותפו לשעבר של שרלוק מהסקוטלנד יארד.

הולמס ו-ווטסון חוקרים מקרה של גבר שהיה חשוד ברצח אשתו במשך שנים, ועתה קיבל דרישת כופר עבור חזרתה בשלום. בינתיים, לסטרד מנצל את קבלת האורחים של הולמס ונראה שהוא לא מתכוון לעזוב.

חוקר סרטן מפורסם מת, והולמס ו-ווטסון חוקרים האם מותו בטרם עת קשור להמצאה החדשנית שלו. במקביל, הבלש בל מקבל אישור לחזור לעבודת השטח.

רוצח סדרתי הידוע כמי שאוכל את קורבנותיו חוזר לרצוח, למרות שחשבו שהוא מת.

הולמס ו-ווטסון מגיעים לזירה לאחר שכייס מת מהרעלת אנתרקס, כעת עליהם לעקוב אחר מקור ההרעלה על-מנת למנוע מקרים נוספים.

ביקור פתע של אחיו של שרלוק, מייקרופט, מוביל לסכסוך בין שרלוק וג'ואן. במקביל השניים עובדים על תיק של אדם נעדר, הלוקח אותם לעולם התעופה.

ווטסון והולמס חוקרים רצח שגרתי, שהופך להיות מורכב עקב השפעות בינלאומיות ופוליטיות. בעקבות משבר, ג'ואן שוקלת מחדש את מערכות היחסים שלה עם שרלוק ועם מייקרופט.

פרק 24 ואחרון לעונה. מערכת היחסים של הולמס ו-ווטסון מגיעה לצומת דרכים, אך הם מצליחים לשים את חילוקי הדעות בצד על מנת לעזור למייקרופט העומד בפני אישומי בגידה ורצח.