Ο διάσημος ντεντέκτιβ Σέρλοκ Χολμς ταξιδεύει στη Νέα Υόρκη, μαζί με τον πιστό του φίλο Δρ. Γουάτσον, αφού λαμβάνει ένα δυσνόητο απειλητικό σημείωμα από τον Δρ. Μοριάρτι. Εκεί θα συναντήσουν μια παλιά τους γνώριμο, την Αϊρίν Άντλερ, που είναι και η αιτία του ταξιδιού τους, αφού ο Μοριάρτι έχει απάγει τον γιό της και εκβιάζει τους τρεις τους για να παίξουν ένα ρόλο στο σατανικό του σχέδιο. Και ενώ ο Χολμς τρέχει ενάντια στο χρόνο για να σταματήσει τον προσωπικό του εχθρό, έχει να αντιμετωπίσει την αναζωπύρωση των αισθημάτων του για την Αϊρίν, αλλά και την ιδιότροπη - για έναν Βρετανό - αμερικάνικη νοοτροπία.

Ο εκκεντρικός καθηγητής Γκιμπς εφευρίσκει μια μηχανή που κάνει τους ανθρώπους αόρατους και βάζει αγγελία για να βρει «πειραματόζωο». Αυτή που θα απαντήσει είναι η Κίτι Κάρολ, ένα όμορφο μοντέλο και λάτρης της περιπέτειας, η οποία πιστεύει ότι με το να γίνει αόρατη θα καταφέρει να πάρει τις εκδικήσεις της. Το μπέρδεμα ξεκινάει όταν τρεις γκάγκστερ κλέβουν τη μηχανή για να τη χρησιμοποιήσει το αφεντικό τους.