故事發生在1884年的英國，伊諾拉（米莉·波比·布朗 飾）在16歲生日當天發現母親（海倫娜·伯翰·卡特 飾）神秘失蹤。作為改革派政治家的母親留下了一系列密碼線索，而伊諾拉的大哥夏洛特·福爾摩斯（亨利·卡維爾 飾）和二哥麥考夫（山姆·克拉弗林 飾）被指定為監護人。兩位兄長計劃將伊諾拉送往培養淑女的寄宿學校，但她在拒絕被規訓后選擇離家出走。只身前往倫敦的伊諾拉化身偵探，通過偽裝成花童、女仆等身份展開調查，在破解母親遺留的密碼信件過程中，意外揭露了一場針對議會改革的政治陰謀。與此同時，她與追查案件的夏洛特展開智慧博弈，并最終通過合作識破幕后黑手的真實意圖。伊諾拉在解救母親后選擇保持獨立生活，與兄長們達成互相尊重的理解。