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。

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。

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。

盛唐时期，年方二十的狄仁杰上京参加明经考试，武则天亲自监考。一名伪装成考生的刺客忽然杀出，考场大乱，狄仁杰追捕神秘刺客，意外发现刺客是女扮男装，刺客趁乱逃走。武则天命狄仁杰继续追查刺客的来历，狄仁杰发现对方的暗杀是经过详细周密部署的。年轻的狄仁杰决心不追查到底不罢休。 　　狄仁杰才华出众，又护主有功，很快当上了汴州判佐。在汴州，狄仁杰遇上了初恋情人楚芸。楚芸比狄仁杰大了五岁，楚芸就像姐姐一样照顾着狄仁杰。后来楚芸嫁给了左司郎中王本立的二公子王彦，新婚之夜王彦意外身亡。此时再遇狄仁杰，两人已然心动，但经历大变故的楚芸已理智地知道她和狄仁杰没有未来，而狄仁杰却发现王彦之死并不是一场意外，惨剧一幕幕发生，一连王家的几人皆死于非命，命案现场凄美得诡异，而狄仁杰与楚芸暗涌的情感为案情更添神秘。

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。

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。

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。

高智商低情商的年轻侦探狄仁杰在侦探比试大赛上初识根本没有推理能力却对做侦探一厢情愿的富二代白元芳，以及城府极深的死对头方起鹤。白元芳一心想跟着狄仁杰开设私家侦探店，迫于经济压力狄仁杰勉强同意，随着白元芳之妹白洁的加入，三人从此开始了辛苦的“狄白”组合破案生涯。与此同时，他们却不幸卷入了武则天与敌对集团的权力争夺事件，真相即将大白，就差最后一步！