福尔摩斯和华生来到伦敦调查一起尚未侦破的悬案，同时追踪一名往日的导师。与此同时，福尔摩斯与素来关系疏远的兄弟Mycroft（Rhys Ifans）重聚，但Mycroft似乎隐藏了一些秘密。

一位受人尊敬的数学家被人杀死，福尔摩斯和华生在调查他的死因的同时还尝试弄懂他正在破译的一些古怪方程式的意义。死者生前严密保护这些方程式，足以说明它们有特殊的价值。与此同时，华生过去因医疗事故导致一名患者在手术台上丧命。当这名患者的儿子跑来向她借钱时，她的内心充满矛盾。

一个平民承包商泄露了机密情报，福尔摩斯和华生开始寻找他的下落。一群网络活跃分子为保护此人竟然对福尔摩斯和华生进行骚扰，令两人的生活陷入混乱。与此同时，华生听从一个朋友的建议，登录一家在线交友网站提交了自己的个人档案。

一家金融服务顾问公司的首席执行官被人用毒药害死，警方请福尔摩斯和华生协助追踪凶手。与此同时，福尔摩斯认识的一个女人突然出现。糟糕的是，她是该剧的一名嫌疑人。Laura Benanti本集扮演福尔摩斯的老熟人Anne Barker，她是受害人雇请的保姆。受害人死的时候身上穿着一身「S&M」（性虐待狂与受虐狂）行头，因此有人怀疑这个漂亮的保姆可能和主人存在不正当关系。福尔摩斯年轻时就认识Anne，那时他们还是少男少女。

一名职业杀手被人谋杀，福尔摩斯和华生必须深入调查危险的黑帮世界才能获得有价值的线索。与此同时，华生帮助一个女性密友追踪令她红鸾心动的神秘男人。

Gregson警长的家遭武装歹徒入侵，福尔摩斯和华生必须在这群胆大妄为的蒙面劫匪再次犯案之前找到他们。与此同时，Gregson决定让自己的手下人深入了解自己的私人生活。

福尔摩斯的哥哥Mycroft来到纽约请福尔摩斯和华生帮助他破解一起悬案，这起案件与他以前的未婚妻有关。与此同时，福尔摩斯很难接受Mycroft和华生之间的关系。

一个年轻美丽的女人遭谋杀，福尔摩斯与华生决定调查她与一个富可敌国的首席执行官的特殊关系。与此同时，Mycroft试图劝说福尔摩斯回到伦敦定居。

一名连环杀手数次犯案，但警方始终无法破案，导致该案成了悬案。如今福尔摩斯和华生好不容易查出了凶手的真实身份，却因此和纽约警署发生了矛盾。

一次案件调查过程严重出错，福尔摩斯必须在针对警方的正式调查中出庭接受质询，这可能危及福尔摩斯和华生与纽约警署的关系。

一名对冲基金经理遭人谋杀，因为他涉嫌操纵一起庞式骗局，所以福尔摩斯和华生必须对他的客户一一进行排查，看他们当中是否有人参与了这起案件。与此同时，福尔摩斯考虑在互诫会中为另一名康复中的瘾君子做担保人。

福尔摩斯与华生在调查一起绑架案的过程中发现诸多疑点与死敌Moriarty（Natalie Dormer）存在关联，于是决定找她当本案的「顾问」。与此同时，Marcus Bell侦探的康复之路并非一帆风顺（在上一集中，福尔摩斯在案件调查过程中因为激怒别人而遭到枪击，Bell为保护他受了伤）。

有人在一个大桶中发现一具尸体，福尔摩斯与华生开始调查当地黑手党与这起谋杀案的关联。与此同时，福尔摩斯试图与Bell侦探进行和解。

华生调查纽伯格谋杀案时在死者后院发现一块稀有恐龙化石，她怀疑凶手在寻找这块走私化石。纽伯格好友迭戈利用冰淇淋车走私，他交代自己曾经委托纽伯格保管化石。有人施计从警局偷走化石，随后走私商特纳遇害，化石也被毁掉，夏洛克推测凶手此举是为了反对古生物学说“死亡进化枝”。夏洛克和华生在特纳的交易记录上找到线索，真凶化石展览馆馆长托马斯落网。

一位很有前途的芭蕾舞演员遭谋杀，福尔摩斯必须深入一家专业舞蹈团进行调查。与此同时，华生将单独调查一起怪异的案件——一名退伍军人无家可归，只能在街上流浪，但是他的朋友们声称他遭到了绑架。

福尔摩斯和华生在一起爆炸案中不得不和夏洛克以前在伦敦搭档Lestrade合作。

福尔摩斯和华生面临一起奇怪的案件：一个男人被人怀疑在多年前谋杀了自己的妻子，但他突然向警方报案称绑匪向他提出勒索要求。如果他乖乖就范，失踪多年的妻子就会平安归来。与此同时，Lestrade认为自己长期逗留在福尔摩斯身边是一件「理所当然」的事情……他都不想离开了！

一位著名的癌症研究专家离奇死亡，福尔摩斯和华生必须判断他的死是否和他最新的尖端科技发明有关联。与此同时，Bell终于获准回到他熟悉的工作岗位上执行外勤任务。

一个以啃咬受害人而著称的连环杀手可能重现江湖，福尔摩斯和华生必须阻止他伤害更多的人。令人感到不可思议的是，这个杀手应该早就死了。

一个扒手因感染炭疽病毒而死亡，福尔摩斯和华生开始追查这种致命病毒的来源。如果他们的行动不够迅速，可能会有更多的人因此死去。

福尔摩斯的兄弟Mycroft出人意料地回到纽约，福尔摩斯和华生对他的真实动机有不同的看法，两人因此发生争吵。与此同时，一起失踪人口案将福尔摩斯和华生引入神秘的无人航空学领域。 在本集中，Sherlock和Mycroft被迫搁置矛盾共同调查一起重要的案件，Mycroft取代华生成为Sherlock的「临时搭档」，但他们相处得很不愉快——尤其是Sherlock发现Mycroft向他隐瞒了一些关键秘密。

福尔摩斯被迫与关系疏远的亲兄弟Mycroft搭档侦破一起生死攸关的大案，公与私的界线开始模糊。 当华生遇到危险时，福尔摩斯和Mycroft将联手营救她，但Mycroft必须说出自己的秘密才能救回华生。Mycroft确实有某种计划，而福尔摩斯在他的计划之中。Mycroft与绑架华生的犯罪组织有关联，华生和福尔摩斯都不会高兴，尤其是华生——她认为Mycroft不该对她隐瞒秘密，这让她感到受伤。 「演员当导演」之风仍在传播……本集由女主角刘玉玲（Lucy Liu）执导，这是她职业生涯中第一次当导演。

一起看似普通的谋杀案牵扯出复杂的国际政治背景，福尔摩斯和华生决定联系英国情报机构军情六处。与此同时，在绑架危机发生之后，华生不得不重新评估自己和福尔摩斯、Mycroft两人的关系。

福尔摩斯和华生的关系持续紧张，他们的合作关系可能就此破裂。可是当福尔摩斯的兄弟Mycroft面临谋杀和叛国指控的时候，他们不得不暂时抛开对彼此的成见全力帮助Mycroft。