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  1891年,欧洲法德两国因为发生的一系列无政府主义爆炸袭击而逼近战争边缘,但一切的幕后黑手则是一位有权有势的大学教授詹姆斯·莫里亚蒂,而夏洛克·福尔摩斯通过跟踪艾琳·艾德勒在伦敦化解一场针对知名外科医生霍夫曼斯塔的炸弹袭击后,从艾琳的手中抢走一封神秘信件,但他同时发现霍夫曼斯塔在外被毒杀身亡。  即将结婚的约翰·华生回到贝克街221号B拜访福尔摩斯,两人于夜晚来到一间绅士俱乐部庆祝告别单身,福尔摩斯巧遇与他的哥哥麦克罗夫特,其透漏法德两国将会在瑞士举行和平峰会。在俱乐部里,遇见一名吉普赛算命师—辛姆莎,将之前从艾琳手中抢到的信件交给她,辛姆莎发现写信人是自己失踪已久的弟弟瑞内。而后,福尔摩斯制止一名奉命暗杀辛姆莎的哥萨克杀手,于隔天华生婚礼结束后接到莫里亚蒂的战书。莫里亚蒂透漏艾琳已被他毒杀致死后,甚至声言他已派人去刺杀华生和他的新婚妻子玛丽,福尔摩斯在悲愤下声言一定会赢过他。  莫里亚蒂派军队袭击了华生和玛丽的新婚蜜月火车,福尔摩斯伪装上车后救他们夫妻俩,但也被迫将玛丽推出火车、将她安顿给麦克罗夫特。由于双方生命受威胁,华生再次和福尔摩斯合作破案,两人到达巴黎附近村庄找到辛姆莎。福尔摩斯供述她弟弟瑞内在为莫里亚蒂卖命,通过她所收到的寄件纸张追查到一间法国无政府组织的酒窖。辛姆莎带他们俩去见组织领导人—克劳德·哈瓦西。哈瓦西称他家人受莫里亚蒂要挟而只能服从他去制造恐怖袭击,最后声言他放置了最后一颗炸弹后举枪自杀。福尔摩斯推测炸弹是放在巴黎歌剧院舞台,但去了以后发现空无一物,并突然想起他之前进酒窖前曾和真正的炸弹擦肩而过,其真正用途是要炸附近的凯旋门大酒店。由于推理错误,酒店宴会被炸毁,赴宴的欧洲商业峰会全部丧生。  受害者中的峰会首脑—阿尔佛雷德·麦哈德是知名军火商,福尔摩斯发现唯独只有他是死于头部狙击,推测莫里亚蒂通过爆炸掩盖针对他的谋杀,除了掌控其军火势力以外,还进一步将法德两国和平逼向危机;而行凶的狙击手则是前英国陆军上校兼头号狙击手—赛巴斯丁·莫兰,他目前也成为莫里亚蒂的心腹大将。福尔摩斯和华生在辛姆莎等人的帮助下,成功越过山头边界到达麦哈德位于海尔布隆的大型军火工厂;其如今被莫里亚蒂接管。华生受令去发一通电报给麦克罗夫特,福尔摩斯自行潜入工厂调查,发现军火库中所有的军火即将运往欧洲各国,调查时被莫兰的一对双胞胎手下发现且擒获。在莫里亚蒂面前,福尔摩斯推论他是通过所有完美犯罪手段,引发一场世界大战来让他功名利禄。  莫里亚蒂频繁地问福尔摩斯给谁发的电报,利用铁钩穿过其肩膀进行拷打。华生到工厂深处被莫兰的狙击枪埋伏,在无路可走下启动大型火炮轰毁灯塔,进而砸毁两者所在的拷问室。华生营救福尔摩斯后拿武器逃亡,莫兰等其他工厂士兵开始追赶他们。福尔摩斯与华生逃跑途中杀死双胞胎部下,但其中一人阵亡时另一人却没有实施救援;他们俩由此发现这很不寻常。所有人利用森林尽头的火车逃离至瑞士,但除了福尔摩斯等人上火车得救以外,其余吉普赛人全部丧生。众人一下火车立刻去见麦克罗夫特,希望他能停止这次峰会,但麦克罗夫特说为了避免战争而已经别无他法,而众人只好束手无策地进入峰会举办场地「莱辛巴赫城堡」;位于莱辛巴赫瀑布的正上方。  晚宴时,福尔摩斯推论莫里亚蒂企图通过瑞内暗杀一位总理来引发战争,华生想起之前的霍夫曼斯塔医生刚好就是整形医师,瑞内则是接受整形手术把其脸庞整形并掉包成一名大使而进行暗杀;而双胞胎部下则是实验对象之一。福尔摩斯把找瑞内的事情交给华生和辛姆莎,自己一人独自前往阳台跟莫里亚蒂对决国际象棋。华生利用“意外行为”轻易识破了装扮成大使的瑞内,但瑞内依然在最后一刻拿出手枪进行射击,但被华生和辛姆莎阻止。瑞内被士兵带走后被莫兰发射的毒箭射中,莫兰逃离现场后,辛姆莎只能眼睁睁看着瑞内毒死在她面前。福尔摩斯认为战争已避免,但莫里亚蒂却认为即使计划没成功,世界没过多久就会自行打响战争,声言福尔摩斯所做的一切与牺牲顶多是援兵之计。  莫里亚蒂认为大获全胜而沈浸在喜悦中,但福尔摩斯却透漏他已经趁工厂拷问时、拿到莫里亚蒂一向随身携带的小记事本;其记载莫里亚蒂的所有藏钱账户。记事本如今托辛姆莎的伙伴带回伦敦、转交给雷斯垂特督察,把莫里亚蒂的金钱一个一个查扣。发现本子被掉包成“图画本”后,莫里亚蒂恼羞成怒下和福尔摩斯进行最终决战。因为心理战术会被轻易化解,福尔摩斯决定拼死放手一搏,把眼前的烟灰吹向莫里亚蒂后钩住他跳下阳台,两人双双落入莱辛巴赫瀑布。  华生亲眼目睹福尔摩斯与莫里亚蒂掉入瀑布,每次警方寻找两人尸体都以失败告终。福尔摩斯的葬礼办完后,华生为福尔摩斯写了一篇文章,也打算再度与妻子重新度假。但走前却收到一个包裹,包裹里是一个福尔摩斯使用过的呼吸器。华生由此认为他肯定还活着,于是走出去问玛丽是谁送的包裹。  但当华生离开办公室后,福尔摩斯却突然从华生的沙发上意外现身,之后还趁华生不在场时,偷偷的在他写好的文章结尾上,简单的加上了一个问号,也因此使明确意味着文章已完结的「结束」一词,直接变为意思不明确且耐人寻味的「结束?」。

  本片改编于亚瑟·柯南·道尔的《最后一案》,故事发生于首部故事结束的一年后,并且剧情与首部无关。  2010年10月,主演在伦敦西南部的"Richmond Park"拍摄打戏。10月汽船"PS Waverley"被租用。11月中旬,一个大的绿幕设在Didcot Railway Centr,并在那里拍摄了许多动作场面。11月下旬,在伍斯特郡横跨塞文河的"Victoria Bridge"拍摄。2011年1月,在位于泰晤士河畔里士满区的汉普敦宫拍摄。2011年9月,又在格林尼治的旧皇家海军学院拍摄。  2011年2月早期,剧组到法国的斯特拉斯堡进行了两天的拍摄,拍摄地包括斯特拉斯堡主教座堂周围和内部。

  媒体综评49分,这比第一部57分的媒体综评要低;烂番茄新鲜度61%;Yahoo影评人评分B,观众评分A-,肯定的声音多于批评的。观点有:“导演一如预期地加入大量枪战与肉搏戏来满足动作爱好者的需求,快慢镜头的切换再现当年暴力美学的华彩”,“续篇顺利继承前作的特点,不过更加宏大、更加优秀、更加有趣”,“鉴于上一部影片的成功经验,盖·里奇在系列第二部中进行了更加超前和时髦的解读,而大量的枪战、爆炸、动作元素的烘托,也让本片足够娱乐”。

  美国首周末三天收获4002万美圆名列第一。

  华纳兄弟公司已于2011年10月宣布开始制作续集《大侦探福尔摩斯3》。2018年5月,华纳兄弟表示该续集将会在2020年的圣诞节期间上映,由撰写剧本,而小劳勃·道尼和裘德·洛都将各自回归出演福尔摩斯和华生的角色。
《大侦探福尔摩斯2:诡影游戏》(英语:Sherlock Holmes: A Game of Shadows)是一部2011年上映的动作悬疑片,为2009年《福尔摩斯》的续集。影片基本上采用了第一部的原班人马,依然由盖·瑞奇执导,小劳勃·道尼、裘德·洛和瑞秋·麦亚当斯主演。影片于2011年12月15日在香港和澳门上映,12月16日在美国、英国和台湾上映,2012年1月15日在中国上映。