唐朝麟德年间，唐高宗（盛剑饰演）与武则天（刘嘉玲饰演）强行派出大军出征，不料船队在海上遭袭，遭受重挫。此事震惊洛阳，京城百姓热烈祭祀龙王。迷惑众生的“花魁”尹瑞姬（杨颖饰演）更是引来各方觊觎。狄仁杰（赵又廷饰演）奉武则天之命，调查龙王案，却不巧卷入绑架尹瑞姬一案。在与强盗搏斗的过程中，狄仁杰结识了亦敌亦友的大理寺大臣尉迟真金（冯绍峰饰演），并被对方打入大牢。龙王的身影在殷瑞吉案中再次出现，让洛阳笼罩在一片疑云之中。狱中，狄仁杰凭借缜密的推理，赢得了回纥医人沙陀钟（林更新饰）的信任，并越狱追查龙王的真相。
两起案件错综复杂，相互纠缠，指向了一个完全未知的方向……
