Основные события фильма происходят в Лондоне в 1888 году. В фильме переплетаются две сюжетные линии. К Шерлоку Холмсу приходит девушка по имени Мэри Морстен, которая просит его и доктора помочь в разгадке получения ею ежегодно по жемчужине и помочь в поиске её отца, пропавшего много лет назад. Холмс и Ватсон не отказывают ей в помощи и выясняют, что мисс Мэри является наследницей огромного состояния, на которое претендуют также сыновья майора Шолто и каторжник-инвалид Джонатан Смолл.
В ходе расследования дела о сокровищах Агры, Холмс и Ватсон вспоминают о другом деле, которое Холмс расследовал раньше. К Шерлоку Холмсу под чужим именем приходит король Богемии, который ведёт себя сперва высокомерно, а затем жалобно просит помочь ему. Одно время король, будучи тогда еще наследным принцем, имел любовную связь с известной авантюристкой Ирэн Адлер и вместе сфотографировался с ней и подписал фотографию на память. Теперь он собирается жениться и хочет избежать скандала.