影片讲述的是因武则天（童飞 饰）器重奉诏入京出任大理寺丞的青年才俊狄仁杰（郭品超 饰），偶然卷入乾元殿行宫失火谜案后智破奇案的故事。乾元殿无故失火，狄仁杰发现废墟下的残缺人偶木质特殊，切断后有血流出，与真人无异，宫内更有此法是武皇后使用“厌圣” 之术诅咒高宗的传言，武则天当机立断派上官秋（骆达华 饰）和梅花内卫都领李青方（黄一晗 饰）协同狄仁杰查办此案。随着案件深入，流血人偶创造者白衣道士（周浩东 饰）、看守人偶的武皇后侄子贺兰敏之（张明明 饰）、玉面书生白崇文（于小彬 饰）等众多势力牵涉其中，神探狄仁杰逐层剥茧抽丝，发现看似已浮出水面的真像，却是蓄势着的更大阴谋，一系列祸端仅仅是个开始......

武周时期，御史中丞胡显德一家被杀，武则天命狄仁杰前往调查。狄仁杰调查发现，原本老实本分的胡显德离奇般参与了一场大案，狄仁杰不禁生疑，察觉此案可能是一个案中案。狄仁杰查案过程中，不断遇见各种诡异事件，案件相关人员也接连离奇死亡。伴随着阴兵索命，案件一筹莫展，狄仁杰被巨大的阴谋笼罩……

唐代仪凤4年。西域守备狄仁杰奉唐皇之命，带副将马仁义劝降西凉黑鹰大将军欧阳烈。临行前，唐皇密诏两封告知狄仁杰与马仁义；楚风烈若降便宣金诏，封他为西域长风大将军，并令其即刻带领十万降军赴阳关抵御来犯之敌。楚风烈若不降，便使用银诏：发动西域守备军二十万官兵将其灭之。《月上江南之狄仁杰洗冤录》中，狄仁杰不再是高高在上的大法官，而是处处遭人陷害，为洗清冤屈四处奔波，搜寻证据的倒霉蛋，这个倒霉蛋从一出场就被人追杀。先是由宁静扮演的狄仁杰20年前的情人白如雪，因为误会要杀狄仁杰为自己雪耻；王伶扮演的是狄仁杰的亲生女儿，她认敌为父被蒙骗认为狄仁杰是自己的杀父仇人，一定要将狄仁杰置于死地；再有刘孜扮演的欧阳楚，轻信狄仁杰政敌的谎言，误以为父亲的死与狄仁杰有关，发誓要手刃狄仁杰；后有王学兵扮演的司徒剑，原本是狄仁杰的得意门生，因为要保住自己的身世之谜，被人利用，陷害恩师；再加上狄仁杰在朝廷中的政敌，还有众多的贪官，狄仁杰的廉正和刚直，一直被他们看成是眼中钉，想方设法用计除掉狄仁杰。

圣历年间，武则天以其杰出的韬略和睿智把国家治理得井井有条、国泰民安。虽然朝中李、武两家争夺皇权的斗争依旧暗潮涌动，武则天临危不乱，泰然处之。可是一个突然出现的谋杀事件，却把久居皇宫的武则天引出京城遭遇了一次惊险离奇的经历，也使得早已悬印归家的狄仁杰不得不重陷你争我夺的官场斗争。

狄仁杰初任大理寺丞，受阎立本所托，为在朝廷站稳脚跟远赴江南查案。正逢江南大旱农民暴动，追随修罗教，修罗教教主不死修罗，向朝廷宣战企图复国。狄潜入地宫，生擒教主后教主被人用暗箭射死。 本以为修罗教主已死，不死修罗事件告一段落，没想到不死修罗再次现身。