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  1891年,歐洲法德兩國因為發生的一系列無政府主義爆炸襲擊而逼近戰爭邊緣,但一切的幕後黑手則是一位有權有勢的大學教授詹姆斯·莫里亞蒂,而夏洛克·福爾摩斯通過跟蹤艾琳·艾德勒在倫敦化解一場針對知名外科醫生霍夫曼斯塔的炸彈襲擊後,從艾琳的手中搶走一封神祕信件,但他同時發現霍夫曼斯塔在外被毒殺身亡。  即將結婚的約翰·華生回到貝克街221號B拜訪福爾摩斯,兩人於夜晚來到一間紳士俱樂部慶祝告別單身,福爾摩斯巧遇與他的哥哥麥克羅夫特,其透漏法德兩國將會在瑞士舉行和平峰會。在俱樂部裡,遇見一名吉普賽算命師—辛姆莎,將之前從艾琳手中搶到的信件交給她,辛姆莎發現寫信人是自己失蹤已久的弟弟瑞內。而後,福爾摩斯制止一名奉命暗殺辛姆莎的哥薩克殺手,於隔天華生婚禮結束後接到莫里亞蒂的戰書。莫里亞蒂透漏艾琳已被他毒殺致死後,甚至聲言他已派人去刺殺華生和他的新婚妻子瑪麗,福爾摩斯在悲憤下聲言一定會贏過他。  莫里亞蒂派軍隊襲擊了華生和瑪麗的新婚蜜月火車,福爾摩斯偽裝上車後救他們夫妻倆,但也被迫將瑪麗推出火車、將她安頓給麥克羅夫特。由於雙方生命受威脅,華生再次和福爾摩斯合作破案,兩人到達巴黎附近村莊找到辛姆莎。福爾摩斯供述她弟弟瑞內在為莫里亞蒂賣命,通過她所收到的寄件紙張追查到一間法國無政府組織的酒窖。辛姆莎帶他們倆去見組織領導人—克勞德·哈瓦西。哈瓦西稱他家人受莫里亞蒂要挾而只能服從他去製造恐怖襲擊,最後聲言他放置了最後一顆炸彈後舉槍自殺。福爾摩斯推測炸彈是放在巴黎歌劇院舞臺,但去了以後發現空無一物,並突然想起他之前進酒窖前曾和真正的炸彈擦肩而過,其真正用途是要炸附近的凱旋門大酒店。由於推理錯誤,酒店宴會被炸燬,赴宴的歐洲商業峰會全部喪生。  受害者中的峰會首腦—阿爾佛雷德·麥哈德是知名軍火商,福爾摩斯發現唯獨只有他是死於頭部狙擊,推測莫里亞蒂通過爆炸掩蓋針對他的謀殺,除了掌控其軍火勢力以外,還進一步將法德兩國和平逼向危機;而行凶的狙擊手則是前英國陸軍上校兼頭號狙擊手—賽巴斯丁·莫蘭,他目前也成為莫里亞蒂的心腹大將。福爾摩斯和華生在辛姆莎等人的幫助下,成功越過山頭邊界到達麥哈德位於海爾布隆的大型軍火工廠;其如今被莫里亞蒂接管。華生受令去發一通電報給麥克羅夫特,福爾摩斯自行潛入工廠調查,發現軍火庫中所有的軍火即將運往歐洲各國,調查時被莫蘭的一對雙胞胎手下發現且擒獲。在莫里亞蒂面前,福爾摩斯推論他是通過所有完美犯罪手段,引發一場世界大戰來讓他功名利祿。  莫里亞蒂頻繁地問福爾摩斯給誰發的電報,利用鐵鉤穿過其肩膀進行拷打。華生到工廠深處被莫蘭的狙擊槍埋伏,在無路可走下啟動大型火炮轟毀燈塔,進而砸毀兩者所在的拷問室。華生營救福爾摩斯後拿武器逃亡,莫蘭等其他工廠士兵開始追趕他們。福爾摩斯與華生逃跑途中殺死雙胞胎部下,但其中一人陣亡時另一人卻沒有實施救援;他們倆由此發現這很不尋常。所有人利用森林盡頭的火車逃離至瑞士,但除了福爾摩斯等人上火車得救以外,其餘吉普賽人全部喪生。眾人一下火車立刻去見麥克羅夫特,希望他能停止這次峰會,但麥克羅夫特說為了避免戰爭而已經別無他法,而眾人只好束手無策地進入峰會舉辦場地「萊辛巴赫城堡」;位於萊辛巴赫瀑布的正上方。  晚宴時,福爾摩斯推論莫里亞蒂企圖通過瑞內暗殺一位總理來引發戰爭,華生想起之前的霍夫曼斯塔醫生剛好就是整形醫師,瑞內則是接受整形手術把其臉龐整形並掉包成一名大使而進行暗殺;而雙胞胎部下則是實驗物件之一。福爾摩斯把找瑞內的事情交給華生和辛姆莎,自己一人獨自前往陽臺跟莫里亞蒂對決國際象棋。華生利用“意外行為”輕易識破了裝扮成大使的瑞內,但瑞內依然在最後一刻拿出手槍進行射擊,但被華生和辛姆莎阻止。瑞內被士兵帶走後被莫蘭發射的毒箭射中,莫蘭逃離現場後,辛姆莎只能眼睜睜看著瑞內毒死在她面前。福爾摩斯認為戰爭已避免,但莫里亞蒂卻認為即使計劃沒成功,世界沒過多久就會自行打響戰爭,聲言福爾摩斯所做的一切與犧牲頂多是援兵之計。  莫里亞蒂認為大獲全勝而沈浸在喜悅中,但福爾摩斯卻透漏他已經趁工廠拷問時、拿到莫里亞蒂一向隨身攜帶的小記事本;其記載莫里亞蒂的所有藏錢賬戶。記事本如今託辛姆莎的夥伴帶回倫敦、轉交給雷斯垂特督察,把莫里亞蒂的金錢一個一個查扣。發現本子被掉包成“圖畫本”後,莫里亞蒂惱羞成怒下和福爾摩斯進行最終決戰。因為心理戰術會被輕易化解,福爾摩斯決定拼死放手一搏,把眼前的菸灰吹向莫里亞蒂後鉤住他跳下陽臺,兩人雙雙落入萊辛巴赫瀑布。  華生親眼目睹福爾摩斯與莫里亞蒂掉入瀑布,每次警方尋找兩人屍體都以失敗告終。福爾摩斯的葬禮辦完後,華生為福爾摩斯寫了一篇文章,也打算再度與妻子重新度假。但走前卻收到一個包裹,包裹裡是一個福爾摩斯使用過的呼吸器。華生由此認為他肯定還活著,於是走出去問瑪麗是誰送的包裹。  但當華生離開辦公室後,福爾摩斯卻突然從華生的沙發上意外現身,之後還趁華生不在場時,偷偷的在他寫好的文章結尾上,簡單的加上了一個問號,也因此使明確意味著文章已完結的「結束」一詞,直接變為意思不明確且耐人尋味的「結束?」。

  本片改編於亞瑟·柯南·道爾的《最後一案》,故事發生於首部故事結束的一年後,並且劇情與首部無關。  2010年10月,主演在倫敦西南部的"Richmond Park"拍攝打戲。10月汽船"PS Waverley"被租用。11月中旬,一個大的綠幕設在Didcot Railway Centr,並在那裡拍攝了許多動作場面。11月下旬,在伍斯特郡橫跨塞文河的"Victoria Bridge"拍攝。2011年1月,在位於泰晤士河畔里士滿區的漢普敦宮拍攝。2011年9月,又在格林尼治的舊皇家海軍學院拍攝。  2011年2月早期,劇組到法國的斯特拉斯堡進行了兩天的拍攝,拍攝地包括斯特拉斯堡主教座堂周圍和內部。

  媒體綜評49分,這比第一部57分的媒體綜評要低;爛番茄新鮮度61%;Yahoo影評人評分B,觀眾評分A-,肯定的聲音多於批評的。觀點有:“導演一如預期地加入大量槍戰與肉搏戲來滿足動作愛好者的需求,快慢鏡頭的切換再現當年暴力美學的華彩”,“續篇順利繼承前作的特點,不過更加巨集大、更加優秀、更加有趣”,“鑑於上一部影片的成功經驗,蓋·裡奇在系列第二部中進行了更加超前和時髦的解讀,而大量的槍戰、爆炸、動作元素的烘托,也讓本片足夠娛樂”。

  美國首週末三天收穫4002萬美圓名列第一。

  華納兄弟公司已於2011年10月宣佈開始製作續集《大偵探福爾摩斯3》。2018年5月,華納兄弟表示該續集將會在2020年的聖誕節期間上映,由撰寫劇本,而小勞勃·道尼和裘德·洛都將各自迴歸出演福爾摩斯和華生的角色。
《大偵探福爾摩斯2:詭影遊戲》(英語:Sherlock Holmes: A Game of Shadows)是一部2011年上映的動作懸疑片,為2009年《福爾摩斯》的續集。影片基本上採用了第一部的原班人馬,依然由蓋·瑞奇執導,小勞勃·道尼、裘德·洛和瑞秋·麥亞當斯主演。影片於2011年12月15日在香港和澳門上映,12月16日在美國、英國和臺灣上映,2012年1月15日在中國上映。