物語の舞台は1884年のイギリスです。エノーラ（ミリー・ボビー・ブラウン演じる）は16歳の誕生日を祝う準備をしていましたが、この日、彼女の母親（ヘレナ・ボナム・カーター演じる）が行方不明です。有名な探偵シャーロット・ホームズ（ヘンリー・カヴィル）とマイクロフト（サム・クラフリン）がエノーラの保護者となった。常軌を逸した制御不能な妹を前に、二人の男は彼女を「淑女」育成に特化した寄宿学校に通わせようとしたが、どうしてエノーラはこんなにも従順で他人の言いなりになるのだろうか？意見の相違の後、彼女は母親の行方を探すために家出して一人でロンドンに行くことを選択しました。旅の途中、エノーラは非常に不思議な事件に巻き込まれ、探偵となって兄と知恵と勇気の戦いを始めた。