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夏洛克·福尔摩斯遭到勒索并被排除在调查之外，但当一名年轻女子来到他家门口时，他看到了希望，因为她可能掌握着解决大使女儿绑架案的关键。

当夏洛克追捕一辆被盗马车时，他派阿米莉亚在伦敦各地追捕；阿米莉亚有自己的想法，并跟随她的直觉更接近答案，但甚至更接近危险。

阿米莉亚秘密前往克拉拉家中寻找线索；夏洛克假装与他的宿敌莫里亚蒂会面而入狱。

在遇到一名手持手枪的迷人男子后，阿米莉亚向福尔摩斯隐瞒了细节，但当她的调查变得致命时，夏洛克必须介入。

夏洛克寻找丢失的珠宝及其与朋友绑架案的联系；他向保险调查员伯特威斯尔寻求帮助。

夏洛克和阿米莉亚锁定红丝线成员，同时发现内森真实身份是澳洲特工，接近阿米莉亚是为保护她。为还人情，夏洛克安排莫里亚蒂与内森见面，揭露内森父亲曾是莫里亚蒂旧友。阿米莉亚发现母亲日记记载了与夏洛克的一段过往，而夏洛克也找到了能证明他们父女关系的关键证据。

夏洛克破解红丝线通讯密码，追踪到银行金库。他与阿米莉亚、内森联手突袭，发现被绑架的人质和大批珠宝。混乱中，阿米莉亚被红丝线头目莱特夫人掳走。夏洛克追至码头，莱特夫人承认杀了阿米莉亚母亲，并准备对阿米莉亚下手。关键时刻，夏洛克喊出 "放开我女儿"，首次公开承认父女关系。

在克拉拉的 debutante 舞会上，夏洛克和阿米莉亚与红丝线展开最终对决。莱特夫人道出真相：阿米莉亚母亲曾是红丝线杀手，与夏洛克执行任务时相爱生下阿米莉亚。为保护女儿，母亲脱离组织，最终遭灭口。混战中，夏洛克为救阿米莉亚中枪，但仍凭智慧制服敌人。案件结束，夏洛克正式接受阿米莉亚为女儿，两人约定继续联手破案，开启新的父女侦探传奇。