华生女友后为其妻的玛丽，曾是一名雇佣特工，在被福尔摩斯揭穿身份之后，玛丽拿出一个写有”A.G.R.A.“的记忆棒给华生，后被华生抛入壁炉中焚毁。可见编剧们早就埋好了线索要在未来展开玛丽身世之谜，因为一看就知A.G.R.A.是四个英文单词的缩写，而不可能是玛丽的真实名字。原来A.G.R.A.代表四个人的名字，分别是Alex、Gabriel、Rosamund和Ajay。他们都有一个写有四人所有重要信息的记忆棒，以防其中任何一人变节。 他们组成了外包特勤小组，受雇于英国军情六处。六年前，他们奉命前往格鲁吉亚首都第比利斯解救英国大使及其夫人，然而却出了意外。罗莎蒙德（Rosamund）也就是玛丽以为自己是唯一的幸存者，殊不知，阿杰（Ajay）也活了下来。阿杰在被抓前将自己那一份记忆棒藏在了撒切尔像内，而这一套六座撒切尔夫人像最终卖到了英国。 阿杰以为是罗莎蒙德背叛了组织，因此他决定复仇，为此他追踪那六座撒切尔像的下落（因为他自己也不清楚记忆棒是放在哪一座内）。夏洛克赶到，取走了撒切尔夫人头像里藏着的名为AGRA的记忆棒。 同时，由于阿杰带来的危险，玛丽华生决定离开华生和夏洛克浪迹天涯，但夏洛克带着华生追踪到了玛丽的行踪。同时追踪夏洛克的阿杰也与玛丽三人见面，在交谈中意外被枪杀。而凭借“Ammo”这个暗号，夏洛克将怀疑指向英国政府。 华生陷入了一段短暂的婚外好感，想要和玛丽坦白时收到了夏洛克的谜题破解短信，二人赶往伦敦水族馆。遇见真正的幕后黑手，玛丽替夏洛克挡了一枪并不幸去世。华生拒绝再见夏洛克。
富翁史密斯为下属们注射记忆阻化剂来让他们忘记听到的内容，史密斯女儿费丝因为隐约记起父亲想要杀人，她为此求助夏洛克。夏洛克在推特上公开称史密斯是连环杀手，史密斯派人去接夏洛克和约翰参观医院，夏洛克发现费丝根本不是他见到的那个女人。夏洛克因过量嗑药被留院治疗，而约翰在夏洛克家看完玛丽留下的光盘后预感夏洛克有危险。就在史密斯要杀害夏洛克时，约翰出现救了好友。约翰来到理疗师家治疗，但这一次理疗师却卸下伪装，原来她就是去见夏洛克的假费丝，理疗师的真正身份吓到了约翰。
一架飞机上的机长及乘客全部昏睡，只有一个小女孩清醒着。夏洛克得知有个妹妹后向麦考夫质问，麦考夫称欧洛丝从小智商超群，但因有犯罪倾向被关到谢林福特监狱。夏洛克发现欧洛丝早已控制了监狱，欧洛丝以飞机上的人命威胁夏洛克，她设下种种关卡和谜题让夏洛克破案，夏洛克饱受摧残。昏迷的夏洛克被运回祖宅，欧洛丝将约翰扔在水井里。夏洛克为了救好友，重新改写的记忆被痛苦唤起，原来小时候欧洛丝因为夏洛克没有和她玩，就将夏洛克的好朋友推入水井中害死。夏洛克制止了空难，那竟是欧洛丝制造出来的情境 。
