本片取材于中国古典的公案小说，时间背景是唐朝，以少年狄仁杰为主人公，通过一个个生动曲折、活泼有趣的故事，培养观众的逻辑思维能力和推理能力，培植他们的文化素养和审美趣味。

狄仁杰出生在唐朝一家官宦人家，出生后不久，爷爷尚书左丞狄孝绪，父亲夔州长史狄知逊被诬陷谋反，被朝廷杀害，全家被抄。小小的狄仁杰被在朝为官的姑父上官仪收养。狄仁杰从小和表妹上官婉儿跟随姑父审理勘察各类案件，受到耳濡目染，开始了他一生传奇式的断案生涯。

贞观十六年，书生狄仁杰明经及第，与众学子一同踏上太子崇文馆与魏王博文馆的纳士擂台。狄仁杰偶然破解了齐王谋反的玄机，一石激起千层浪，由此狄父失踪、晋王遇险、后宫生变，而狄仁杰自己也因此卷入了生死存亡的夺嫡之战。 半年中，狄仁杰于朝堂之外运筹帷幄，与晋王李治勠力同心，从局外步入局内，先后击败太子李承乾、魏王李治、吴王李恪等劲敌，最终从无名之辈成为北斗之尊。

唐高宗显庆年间，汴州朱仙镇发生连环命案，三人接连暴亡于几座神兽石雕下。狄仁杰奉命勘查，发现死者身上皆有兽爪抓痕，且是同一生辰八字。经一番曲折探案，狄仁杰终于查出幕后元凶，同时也揭穿“石兽现身”的秘密。

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唐高宗大兴土木，建成方圆二坛用以祭祀。狄父让狄仁杰娶侍郎的女儿，狄仁杰因其相貌问题不愿意。狄仁杰前往长安，他在客栈里偶遇身着紫色衣服的女人，两人深情对望。就在这时候侍郎女儿童梦瑶怒吼而来，狄仁杰的好事遭搅。神秘人火烧了祭坛，皇上大发雷霆。媚娘在感业寺吃斋念佛，一张纸条突然出现约她相见。在郦妃的建议下，皇上决定去感业寺进香礼佛。

武周天朝年间，漠北突勒人，履犯疆界，企图夺取大周权柄一统天下。其咄陆部太子贺鲁首当其冲，他亲率骑士闯关夺隘，悄然进入神都洛阳，与蛰伏天朝的内奸沆瀣一气，密谋首除当朝丞相狄仁杰，再劫突勒石国吉利可汗之位，以实现其雄霸天下之野心。但他们千不该万不该夜逛妓院刀剔盗贼，为自已的诡异行踪留下了后患。话说神都洛阳，天宫巍峨，浩气不凡。令人匪夷所思的是彼临一座名为善金局的皇家御坊。

电影讲述了武周年间，帝京长安接连发生了几起离奇死亡案件。因为死因不明，忠烈祠飞天壁画杀人的谣言愈演愈烈。百姓纷纷认为是天降不祥，人心惶惶。在地…

李婉青不辞而别后，狄仁杰踏遍千山万水寻找她，在路途中与想要寻找生身父亲的李沐涵结缘，两人合力侦破了震惊天下的天竺宝藏案。后在突厥找到了狄仁杰的旧爱李婉青，但李婉青已经成了突厥王子的小妾，并计划着借助突厥的力量夺回李家王朝。在狄仁杰、王元芳和李沐涵的联手下才化解了这场阴谋，但王元芳却不幸在争斗中丧命。之后，狄仁杰回到皇宫，协助朝廷揭发了一位权侵朝野的藩王与突厥联手想要颠覆朝廷的阴谋，原来这个藩王早已被杀害然后被一位突厥贵族易容顶替。而此事后，武媚娘已开始酝酿着一步步的掌握政治权利，并企图拉拢狄仁杰帮助他。

唐武则天时期，十几年对突厥的战争结束了，天下太平举朝欢贺。此时的狄仁杰，已因故被贬为彭泽县令。这一天，满朝文武齐集太极殿，准备迎接突厥议和使团的到来。武则天俯视群臣，为狄仁杰未能到场深感遗憾。武三思却认为，狄仁杰被贬彭泽是罪有应得，若不是武皇天恩，他早就粉身碎骨了。