Шерлок Холмс и Джоан Ватсон отправляются в Лондон, чтобы найти неуравновешенного полицейского Гаррета Лестрейда, который вёл дело об убийстве жены лондонского медиамагната. Шерлок предвкушает возвращение в свою квартиру, но, как оказалось, её сейчас занимает его брат, Майкрофт, которого Шерлок считает позором семьи. Неприязнь братьев взаимная — Шерлок когда-то переспал с невестой Майкрофта, объясняя это необходимостью показать брату её неприглядную сущность. Теперь Майкрофт оказывает знаки внимания Ватсон, чем раздражает Шерлока.
Шерлок и Ватсон расследуют убийства двух компаньонов– математиков, которые были близки к разгадке одной из семи «задач тысячелетия». Меж тем, Джоан решает материально помогать сыну пациента, которого она не смогла спасти на операционном столе несколько лет назад.
Холмс и Ватсон ищут хакера, который публикует правительственные секреты. Тем временем, Ирэн Адлер пишет Шерлоку из тюрьмы.
Пожилой финансист найден мёртвым у себя в доме. Пикантность ситуации придаёт латексный костюм и обнаружившая труп домина. Холмс сразу определяет отравление нитроглицерином и одного за другим находит и отвергает подозреваемых в убийстве. В процессе расследования всплывает давняя история отравительницы, с которой Шерлока связывают особые отношения.
Шерлок скучает и ищет интересные случаи, осматривая трупы в морге. Погибший в аварии мотоциклист привлекает внимание татуировкой и приводит детектива к польской мафии, которая по ходу эпизода превращается в русскую. Тем временем одна из подруг Джоан просит её установить личность случайного знакомого, который оказывается совершенно неслучайным.
Вооружённый злоумышленник проникает в дом капитана Грегсона и угрожает его жене. Последовавшее затем убийство военного, недавно вернувшегося из Афганистана, явно связано с вторжением к Грегсону, но сам капитан всякую связь с жертвой отрицает. Совпадения не сбивают Холмса, и он находит убийцу, а в перерыве, чтобы отвлечься, раскрывает дело об ограблении киосков, которым индивидуально занималась Ватсон. Взамен Шерлок предлагает целый ящик нераскрытых дел, с которыми он не смог справиться в прошлом.
Брат Шерлока Майкрофт просит помощи в расследовании убийства. В деле замешана Найджелла Мэйсон — бывшая невеста Майкрофта, которая при разводе унаследовала титул маркизы и скакуна с кличкой Серебряный. Помощь Шерлока в расследовании способствует примирению братьев.
Труп девушки обнаружен на крыше грузового фургона. В процессе расследования выясняется, что она является внебрачной дочерью миллиардера, которому недавно была сделана пересадка сердца. От смерти девушки никто не получает прямой финансовой выгоды. Миллиардеру становится всё хуже, и он умирает. Благодаря совместной работе Шерлок и Джоан находят убийцу. Тем временем отношения Шерлока с Майкрофтом явно налаживаются, однако в конце серии Майкрофт говорит с кем-то о Шерлоке по телефону и оказывается, что он обманывает брата и ему зачем-то нужно вернуть Шерлока в Лондон.
Женщина совершает самоубийство на мосту, инсценируя убийство. Таким образом она пытается подставить человека, которого подозревает в убийстве своей сестры. Холмс снимает подозрения с невиновного, однако вскоре приходит к выводу, что помог серийному убийце, и считает делом чести отправить его в тюрьму.
В полицию является мужчина и заявляет, что он — рыцарь и убил королеву. Убитая женщина вкоре обнаруживается, но Шерлока как обычно не устраивают простые решения, и он продолжает расследование. Методы Холмса приводят к судебному разбирательству и отстранению его от консультирования, так как в результате пострадал детектив Маркус Белл.