שרלוק הולמס חי בלונדון של 1896, מבודד, עייף, ומרוחק מהעולם – עד שמזימה אפלה של ארגון פשע בשם 'החוט האדום' מאיימת על חייו ועל חבריו הקרובים. אל חייו פורצת אמיליה רוחאס, צעירה אמריקאית, שמגיעה ללונדון בעקבות רצח אמה – שהייתה ממציאנית מבריקה – ומנסה לגלות האם שרלוק הוא אביה הביולוגי. השניים יוצאים יחד לחקור את הקונספירציה, כשהפערים ביניהם – בגיל, תרבות, ואופי – יוצרים חיכוך אך גם חיבור מפתיע. אמיליה מביאה איתה אנרגיה, אינטואיציה, ונחישות, קצת חוצפנות אמריקאית גם, בעוד שרלוק נלחם בשדים פנימיים ומנסה להבין את מקומו בעולם משתנה.