Die Geschichte beginnt genau da, wo der letzte Teil der ersten Staffel endete: Sherlock Holmes (Benedict Cumberbatch) und Dr. Watson (Martin Freeman) stehen ihrem Erzfeind Moriarty (Andrew Scott) gegenüber, dessen verborgene Scharfschützen jeden Moment abdrücken könnten. Allein ein mysteriöser Anruf bringt den diabolischen Schurken dazu, das Duo zu verschonen. In den folgenden Wochen lösen die beiden Ermittler eine Reihe wenig aufregender Fälle. Bis sie von Sherlocks Bruder Mycroft (Mark Gatiss), einem einflussreichen Mitarbeiter des britischen Geheimdienstes, mit einer höchst pikanten Mission betraut werden. Die Domina Irene Adler (Lara Pulver) besitzt kompromittierende Fotos von einem Mitglied der Königsfamilie.
Nun soll Sherlock die unzüchtigen Bilder auf diskrete Weise sicherstellen. Zunächst scheint alles nach Plan zu laufen, auch wenn Irene Adler auf den Besuch der beiden Spürnasen bestens vorbereitet ist und sich als ebenso scharfsinnig und wortgewandt erweist wie der genialische Sherlock. Die Bilder hat sie auf ihrem mit einem Selbstzerstörungsmechanismus gesicherten Handy gespeichert. Dann aber taucht eine Gruppe amerikanischer Agenten auf, die vor nichts zurückschrecken, um in den Besitz des Handys zu kommen. Im letzten Moment können Sherlock und Watson die Männer außer Gefecht setzen, Irene aber entkommt mitsamt ihrem Mobiltelefon.
Für Sherlock ist nach diesem Zwischenfall klar, dass sich auf dem Handy neben den erotischen Fotos noch andere sicherheitsrelevante Daten befinden. Zugleich muss er sich eingestehen, dass die ebenso schöne wie kluge Irene Adler Gefühle in ihm weckt, gegen die er sich stets immun wähnte. Und da Liebe bekanntlich blind macht, realisiert der sonst so scharfsichtige Sherlock Holmes nicht, dass er zur Marionette in einem Intrigenspiel avanciert, in das nicht nur Irene verwickelt ist, sondern auch sein Erzfeind Moriarty und sogar sein eigener Bruder.
