在唐朝麟德年间，皇帝唐高宗（盛鉴 饰）和权臣武则天（刘嘉玲 饰）决定派遣大军远征，却在舰队航行途中遭受意外袭击，导致重大损失。这一事件在洛阳城引起轩然大波，城中居民纷纷痴迷于祭拜龙王，而身为神秘的舞女“花魁”银睿姬（杨颖 饰）的出现更加引发了各方势力的觊觎。 狄仁杰（赵又廷 饰）受命于武则天调查龙王相关案件，却在调查过程中卷入了绑架银睿姬的案件。在与劫匪激战中，狄仁杰邂逅了神秘的大理寺卿尉迟真金（冯绍峰 饰），二人开始了亦敌亦友的关系，但最终被对方投入了大牢之中。与此同时，银睿姬一案再度出现龙王的身影，使洛阳上空笼罩着更多的谜团。在狱中，狄仁杰依靠着缜密的推理赢得了回纥医工沙陀忠（林更新 饰）的信任，并成功逃离了大牢，与沙陀忠一同继续调查真相，解开龙王之谜。