艾琳·艾德勒/莫里亚蒂（娜塔莉·多默尔饰）被警方逮捕，福尔摩斯的生活恢复平静。一转眼，一个夏天过去了。得知伦敦警察厅巡官莱斯特雷德有难，福尔摩斯决定亲自前往伦敦帮助老朋友调查一起旧案。并非每个人都愿意看到福尔摩斯归来，他的兄弟麦考夫·福尔摩斯（瑞斯·伊凡斯饰）尤其不愿意见他。事实上，他们已经有好几年没有说过话了。福尔摩斯从来没有对任何人提起麦考夫，华生甚至不知道他还有个兄弟！而福尔摩斯怀疑华生想通过亲近麦考夫来套取自己小时候的秘密。

夏洛克·福尔摩斯（约翰·李·米勒饰）曾是英国伦敦警察厅（苏格兰场）的著名侦探，大名响彻英伦三岛。性格怪癖的他因为药物上瘾问题，被他的父亲莫兰德·福尔摩斯（约翰·诺伯饰）送到机构强制戒毒，机智的福尔摩斯逃出机构后辗转来到纽约。

福尔摩斯在纽约的布鲁克林安顿下来，他的父亲得知后，便雇佣了三年前曾因医疗事故而放弃了医师职业的琼恩·华生医生（刘玉玲饰）来担任福尔摩斯的私人康复助理。福尔摩斯很快发现华生并非一无是处，相反，她的医学特长对他的帮助很大。而华生也意识到，她天生就是当侦探的材料。

在纽约警察局任职的警监托马斯·格雷森（艾丹·奎因饰）在9·11事件之后曾和福尔摩斯一同工作过一段时间，对他破案的能力印象深刻，当得知福尔摩斯来到纽约之后，便邀请他担任纽约警察局的刑事案件顾问

本季延续《神探夏洛克第二季》的剧情，在莱辛巴赫坠楼案两年后，华生（马丁·弗瑞曼饰）努力让生活重新步上正轨，集美丽与智慧于一身的玛丽·摩斯坦（阿曼达·艾宾顿饰）将与华生一同步入和谐浪漫的人生新阶段。然而此刻，夏洛克（本尼迪克特·康伯巴奇饰）却上演复活戏码，虽然这是华生祈祷已久的愿望，但当愿望实现时，他还是无法坦然面对一切。这一次，夏洛克和华生需要解决伦敦街道下神秘的阴谋、婚礼上突如而来的意外，及面对恶名昭彰且阴险的勒索之王——查尔斯·奥古斯都·马格努森（即原著米尔沃顿，拉斯·米科尔森饰）。夏洛克回来了，但一切还和以前一样吗 ？

《神探夏洛克》是一部由BBC出品的英国迷你电视剧，该剧将原著的故事背景从19世纪大英帝国国势鼎盛的时期搬到了21世纪繁华热闹的大都市中。
这一次夏洛克·福尔摩斯(本尼迪克特·康伯巴奇 Benedict Cumberbatch 饰)不仅是著名大侦探更是一名时尚潮人。和他的 好友兼得力助手约翰·华生（马丁·弗瑞曼 Martin Freeman 饰）分别经历了离奇市民自杀案件、黑帮走私事件和倒计时炸弹杀人案。每一个案件看似独立其实都有联系，两人每解决一个案子，就又会出现新的难题和的受害无辜百姓。经过抽丝剥茧，幕后黑手莫里亚蒂(安德鲁·斯科特 Andrew Scott 饰)终于浮出水面，最后一集的交锋中，被炸弹和狙击枪威胁的夏洛克和华生该如何脱身，只能等到第二季让BBC来告诉大家了。