福尔摩斯因为过分的寂寞，整日注射可卡因，他的好友华生医生强烈反对他这样摧残自己的身体。一天，福尔摩斯接到一封神秘的请帖，邀他去观看苏联芭蕾舞。芭蕾舞演员彼得洛娃，希望和福尔摩斯结合，因为她想要个孩子，还希望孩子父亲的智能与她的资丽能造就个好孩子。福尔摩斯婉言谢绝。几天后，福尔摩斯收到一件奇怪的包裹，里面是在一个被人从泰晤士河中救起的患有健忘症的女人手里找到的，一张写有福尔摩斯住址的纸条。

1942年10月10日，汪伪政权举行了盛大的国民政府庆典。然而，一系列的军政要员遇刺事件，让身为特务处长王田香（王志文 饰）如坐针毡。在对女刺客（刘威葳 饰）的酷刑审问中，他获得了一条关键的情报——代号为老鬼的地下党已经混入了剿匪司令部。立功心切的王田香立刻向日本皇军特务机关长武田（黄晓明 饰）做了汇报。二人随即在裘庄布下了一个圈套，意图通过放出假消息逼老鬼现身。
在被怀疑的对象中，有司令的侍从官白小年（苏有朋 饰）、军机处长金生火（英达 饰）、剿匪大队长吴志国（张涵予 饰）、译电组组长李宁玉（李冰冰 饰）以及行政收发专员顾晓梦（周迅 饰）。在怀疑与排查中，武田与王田香不择手段软硬兼施，然而事情的发展却出乎意料……