公元680年，唐高宗李治御驾亲赴泰山祭天，奉命先行前往山东泰安安排祭天事宜的太子李贤为一场阴谋所陷害。张柬之秘密致信在老家休假的狄仁杰，指出泰安案件的实质是有人设计陷害李贤太子，企图谋篡储君之位。狄仁杰在没有奉旨的情况下，冒险赶赴泰安，决心将这个旷古冤案查个水落石出。然而，当他们接近泰安的时候，便发现案件中的所有人证都死了。根据张顺子提供的情况，是御林军统领李多祚认出刺客中有一个人是太子宫中的护卫。张顺子带着他们找到了留守管事的胡捕头，胡捕头又带他们勘查了所谓太子私藏兵器的地窖，他们发现了些有迹可循的玫瑰花瓣。
但据胡捕头讲，自从太子出事之后，浴花谷的女主人玲珑就不见了，这个花圃没人管了。狄公的助手色子认为，张顺子一定和养花女玲珑有什么不可告人的关系，而玲珑又和运送兵器进太子行宫有关系。就在这时，胡捕头恰巧来报告张顺子的线索，他们又从胡捕头的口中得知了太子常来浴花谷的信息，而且得知太子和玲珑两人关系甚密。这一情况好像在暗示狄公兵器是太子与玲珑合谋从浴花谷运进行宫的。
狄公交代色子留下来监视胡凤山，自己立即赶回京城向皇上请旨，公开调查此案。遗憾的是就在他赶回京城准备汇报情况，并敦促李多祚抓捕胡捕头的时候，泰安这里胡捕头已经被杀，色子因为不慎落入歹人的圈套。狄仁杰终于见到皇上李治，斗胆启奏说泰安弑君一案疑点重重，恳请李治下旨恩准他详查此案。但张光弼适时晋见，呈上泰安守备千里急报：有人在泰安府神秘活动，借查案之名私设公堂，销毁证据，杀人灭口，有与叛逆勾结之嫌。经查是狄仁杰狄大人及其手下所为。
色子原来是一个杀富济贫的江洋大盗，后来因涉案被狄公收服，从此幡然悔悟金盆洗手，愿意跟随狄公犬马效力。由于他对江湖特别熟悉，又武功超群身怀绝技，对侦查破案很有帮助，所以狄仁杰不管在哪里破案都愿意带着他。色子也的确是技能超群，就在狄公带着他匆匆赶路经过柳林镇的时候，他凭着超人的观察力告诉狄公，他们已经被人跟踪了。
一个布包缓缓打开，里边赫然是一根沾着血迹的手指，手指头上戴着一枚精致的戒指。张柬之告诉狄公，手指头是不是李贤太子的他不知道，但那枚戒指肯定是李贤太子的。戒指经李多祚辨认，张柬之没有撒谎。这一来狄公更糊涂了，既然有人杀了李贤太子，为何还要将手指送到张柬之的府上呢。再说，太子遇刺已有旬月，他们怎么才将手指送来。李贤太子遇刺身亡，他们的目的已经达到，应该在还没有被发现之时全身而退才是，为什么还要赖在成都府不走呢。
徐莫愁到了成都，虽诊断有方，却无力解毒。用他自己的话说，是因为从来看不起使用这种毒药的人，所以从来也没有研究过如何为其调配解药。徐莫愁是有名的毒药专家，在江湖上也大有名气，他怎么可能配不出解药呢。狄公根据徐莫愁到来前后张柬之的反常表现，决定进一步敲山震虎，于是召开了有张、李、徐参加的案情分析会。会上，他指出有人想极力推荐给他一个调查的答案，这个答案就是武成嗣想刺杀李贤太子，却又不愿意让人们知道太子是被人刺杀，所以故意布置出一个迷局，让人们觉得李贤太子是被人救走了。
张柬之要狄公抓捕自己，并带着他与假太子的尸体一道回京交差。说到激动处的狄仁杰拿起酒壶，咕嘟咕嘟地灌了起来，狄仁杰中毒了。张柬之大骂徐莫愁在酒里下毒陷害狄仁杰，可徐莫愁解释，为了顺利转移太子把狄公灌醉而已。就在他们趁狄公酒醉酣睡之际，准备将太子顺利转移出去的时候，却惊奇地发现，太子不见了。原来，是色子奉了狄公密令，已经提前将太子控制并转移了。这个情况,令前来迎接太子的琅琊王副将段无涯十分恼火，几个人紧紧逼住狄仁杰，强令他交出太子。但是狄公大义凛然，据理争辩毫不妥协。
就在段无涯恼羞成怒准备对狄公下手之际，色子及时赶到，出手化解。狄公游说太子，终于争取到太子的理解与配合。成都一案，至此告破。太子就要随狄仁杰进京了，武府师爷阿寿网罗杀手，行刺太子，没想到等着他们的是色子。狄公发现，十多个黑衣人，每个人的嘴角处都挂着鲜红的血迹。可色子认出，这些人都是当地口子帮的地头蛇。狄公断定，指使黑衣人劫杀活太子的幕后主使，应该就是五年前在泰安制造冤案的人。刺杀太子失败，张光弼有些恼羞成怒，他已经给狄仁杰准备了一份大餐。
武则天决定由狄仁杰亲自负责监管李贤太子。狄公提出既然要监管，就要确保安全，他提议太后将太子转移到太子宫，由他亲自遴选可靠的人严密保护。可武则天又怕他一旦专管太子，有利用职务方便放走太子的可能，于是婉转下旨要他八岁的儿子狄光远进宫为质，狄仁杰心下一惊。但他还是将孩子送进了宫。他相信，舍不得孩子就套不住狼。送儿子进宫的轿子去远了，狄仁杰呆立在门前，眼中闪动着泪花。张光弼认为太子宫和天牢不同，如果防备严密，再图暗杀太子就很难下手。
狄公和张柬之觉得，应该将太子妃安置到他的身边。但就在狄公向太后游说之时，发生了太子妃死亡的事件。狄公立即投入调查，参与调查的大理寺赵捕头竟被人杀害了。经查证，杀害赵捕头用的飞镖和当年杀死卖令牌的摊贩使用的飞镖一模一样。赵永亮是个普通衙役，他不可能参与到这种案子里来。狄公抓到了一条重要的线索，那就是赵永亮的媳妇正在怀孕，而且案发前后下落不明。据亲戚胡三交代，是赵永亮自己杀死了怀孕的媳妇。
