故事发生在1884年的英国，伊诺拉（米莉·博比·布朗MillieBoyBrown饰）正准备迎接自己的16岁生日，哪知道在这一天，她的母亲（海伦娜·伯翰·卡特HelenaBonhamCarter饰）失踪了。大名鼎鼎的名侦探夏洛特福尔摩斯（亨利·卡维尔HenryCavill饰）和麦考夫（山姆·克拉弗林SamClaflin饰）成为了伊诺拉的监护人。面对古灵精怪不受控制的妹妹，两个男人一门心思的想要将她送到专门培养“淑女”的寄宿学校中就读，伊诺拉哪会这样乖乖受人摆布？一言不合之下，她选择了离家出走，只身一人前往伦敦寻找母亲的下落。在旅途中，伊诺拉被卷入了一个非常神秘的案件之中，她化身成为侦探，和自己的哥哥展开了斗智斗勇的较量。
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