A sorozat a 21. századi Londonban játszódik, melyben elénk tárul, hogyan nyomozna ma Nagy-Britannia legendás detektívje, Sherlock Holmes (Benedict Cumberbatch) és barátja, Dr. John Watson.

Miután Afganisztánban sérülést szenvedett és leszerelt, a katonaorvos Dr. John Watson Londonban keres albérletet. Egy ismerőse révén kerül Mrs. Hudson házába, a Bakes Street 221/B szám alá, ahol egy zseniális, bár sokak által csodabogárnak tartott detektív, azaz - saját meghatározása szerint - tanácsadó nyomozó, Sherlock Holmes lakótársa lesz. A közelmúltban három hasonló módon elkövetett, látszólag megmagyarázhatatlan öngyilkossági eset kavarta fel London nyugalmát. Sorozat-öngyilkosság? Amikor a negyedik eset is megtörténik, a tanácstalan Lestrade felügyelő már csak Sherlock Holmes leleményében bízik. Holmes úgy véli, Dr. Watson jelenléte sem ártana a tett színhelyén...

Titokzatos sárga falfirkák tűnnek fel London különböző helyszínein, és ahol megjelennek, ott hamarosan haláleset történik. Egy régi barátja azzal bízza meg Holmest, derítse ki, hogyan lehetséges, hogy valaki betört bankjuk egyik szigorúan őrzött vezetői irodájába, csak azért, hogy elcsúfítson egy falon függő portrét. Amikor Holmes rábukkan a bankár holttestére, újabb rejtéllyel kell szembesülnie: a gyilkosságot egy belülről bezárt lakásban követték el. A nyomok egy kínai vándorcirkusz irányába mutatnak...

Egy húsz éve elfeledett gyilkosság, egy vérnyomokkal teli autó, egy halott tévésztár, egy klasszikus mester milliókat érő festményének felbukkanása - az izgalmas ügyek ezúttal sorozatban érkeznek Sherlock és John portájára. Ám a kaland élvezetére nincs idő, mikor egy megszállott a túszaira szerelt bombákkal ösztönzi a zseniális detektívet, hogy időre oldja meg perverz fejtörőit. Holmes ezúttal azzal a gonosztevővel áll szemben, aki egyedül a világon képes lehet arra, hogy legyőzze őt: Jim Moriartyval.

Zsarolási ügy fenyegeti botránnyal az angol királyi családot, ám Sherlock és John hamarosan rájönnek, hogy ennél többről van szól. A nagy detektív olyan ellenféllel kerül szembe, aki képes alapjaiban megrengetni legendás önbizalmát: a fagyos szépségű és zseniálisan kegyetlen Irene Adlerrel. Veszélyes macska-egér játszma veszi kezdetét, amelyben folyton változik, ki jár túl a másik eszén...

Sherlock és John ajtaján egy kétségbeesett fiatalember kopogtat. A dartmoori lápvidékről érkezett, ahol egy hatalmas kutya tartja rettegésben a környéket. Talán a hadsereg titkos kutatóközpontjából szökött meg egy génmanipulált szörnyeteg? Ami a Baker Streeten csupán mesének tűnik, az korántsem olyan hihetetlen, amikor Sherlock és John maguk is kint járnak a lápon.

James Moriarty minden idők legzseniálisabb bűnözője, aki nem hagyja, hogy Sherlock erről egy percre is megfeledkezzék. Sőt, az egész világgal tudatni akarja, mire képes, amikor egy időben tör be a Bank of Englandbe, a Pentonville-i börtönbe és a londoni Towerbe, hogy játszadozhasson a brit koronaékszerekkel, és neve a lapok címlapjára kerüljön mindenütt. Ez az utolsó eset, amelyben a legvégsőkig is hajlandó elmenni, hogy próbára tegye Sherlock Holmes zsenialitását és elszántságát. Moriarty ugyanis nem ismer határokat. Holmes vajon meddig képes elmenni, hogy megállítsa főellenségét?

Az epizódban két év távollét után Mycroft rálel Sherlockra Szerbiában, aki megrendezte a saját halálát, és hazaviszi Londonba, hogy segítsen neki megállítani egy terrortámadást, amit egy titkos szervezet tervez. Johnnak most már barátnője van, Mary Morstan személyében, akinek szeretné megkérni a kezét. Nem igazán szeretne újra együtt dolgozni Sherlockkal, de miután a terroristák elrabolják, Sherlock és Mary megmentik, és ezután segít a Guy Fawkes-éjre tervezett robbantássorozat megállításában. Titokzatos támadóinak kilétére mindazonáltal nem derül fény.

Sherlockra talán élete legnehezebb megbízatása vár: John tanújaként neki kell köszöntőt mondania a vendégsereg előtt. Habár ifjú nyomozónk ezt a feladatot hibátlanul megoldja, újabb nehézséggel kell szembenéznie: gyilkos ólálkodik az esküvői mulatságon, és ha Sherlock nem elég szemfüles, lehet, hogy az ifjú pár nem éri meg a menyegzői táncot...

Sherlock ezúttal ellopott zsaroló levelek után nyomoz, amelyek közeli barátját, Mary Watsont kompromittálhatják. A szálak régi nagy ellenfeléhez, Magnussenhez vezetnek...

A Sherlock negyedik évadára sajnos még több mint egy évet várnunk kell, miután a showrunner Steven Moffat és a két főszereplőt játszó Benedict Cumberbatch és Martin Freeman is roppant elfoglaltak, mindazonáltal a háborgó rajongókat kárpótolandó idén leforgatták a 19. századi viktoriánus Angliában játszódó különkiadást, amelyet január 1-jén tűzött műsorra a BBC One. A hivatalosan a Sherlock: The Abominable Bride (magyarul kb.Sherlock: A förtelmes menyasszony) címet elnyerő, Arthur Conan Doyle kísértethistóriáit idéző alkotást , a 0. epizódként is vehetjük a 4. évadban.
Egy "vissza járó Ara" a megfejtendő rejtély , és mindezt az originális helyszineken , a Viktóriánus Angliában.
Észre vehető a tisztelgő kikacsintás a Jeremy Brett féle sorozat felé is .

Sherlock egy fiatalember rejtélyes halálának esetét nyomozza ki, amit könnyűszerrel megold, de ez egy másik rejtélyhez vezeti el őt, amikor egy, a halott fiatalember apjának tulajdonában álló Margaret Thatcher-mellszobrot rejtélyes módon összetörve találnak. Miután sorra törnek a hasonló szobrok, kiderül, hogy a szálak Maryhez és múltjához vezetnek. Felbukkan egy régi ismerős, aki bosszút akar állni a nőn az árulásért. Sherlock rájön, hogy nem Mary volt az áruló - ám ez Mary életébe kerül.

Sherlockot megkeresi a filantróp üzletember, Culverton Smith lánya, aki azt állítja, hogy apja gyilkosságokat vallott be neki, de ezeket utána egy drog segítségével törölte az emlékezetéből. Sherlock rájön, hogy a férfi egy sorozatgyilkos, azonban nehezen megy neki a nyomozás - Mary halála óta visszaszokott a drogokra, és nehezen tudja megkülönböztetni a képzeletet a valóságtól. Végül sikerül lelepleznie a férfit, és a Johnnal való viszonya is normalizálódik. Az epizód végén felbukkan Sherlock és Mycroft halottnak hitt testvére, Eurus, aki eddig mindvégig álruhában manipulálta őket, és lelövi Johnt.

Eurus csak egy kábítólövedékkel lőtte le Johnt, így módjában áll Sherlockkal kikérdezniük Mycroftot. A rejtélyes Sherrinford-szigetre utaznak, ahol a harmadik Holmes-testvér, a pszichopata Eurus kiszabadult, és most mindhármukat arra kényszeríti, hogy különféle morális és erkölcsi dilemmák elé állítva őket, feladatokat oldjanak meg. Sherlock rájön, hogy a kegyetlen játék addig folytatódik, amíg valaki olyan meg nem hal, akit szeretett, ezért megpróbál testvéréhez érzelmileg is közel kerülni. Végül ennek hatására kerülnek ki a szorult helyzetből. Egy Mary által hátrahagyott üzenet által bátorítva Sherlock és John az újjáépített Baker Street 221B alatt újra fogadni kezdik a furcsábbnál furcsább klienseket.