После таинственной гибели матери юная американка Амелия выясняет, что её давно исчезнувший отец, по всей вероятности, — легендарный Шерлок Холмс. Потрясённая этим открытием, она ступает на порог его лондонской квартиры, чтобы сообщить невероятную новость. В тот же момент сам Холмс отчаянно пытается освободить доктора Ватсона и миссис Хадсон, захваченных преступным синдикатом под руководством Мориарти.
Энергичная и находчивая Амелия не остаётся в стороне и решает помочь великому детективу. Тот, в свою очередь, применяет свой знаменитый дедуктивный метод и задействует всю сеть лондонских информаторов, чтобы раскрыть запутанную тайну происхождения неожиданно появившейся девушки.