《神探狄仁杰》由《使团惊魂》、《蓝衫记》和《滴血雄鹰》三个各自独立又息息相关的故事组成。《使团惊魂》讲述武周年间，突厥战争结束，举国上下迎接突厥议和使团的到来。然而就在使团逗留期间，京城接连突发了几件举国震惊的大案。严峻的内忧外患令武则天（吕中饰）忧思如焚，急调狄仁杰（梁冠华饰）进京火速破案。《蓝衫记》中狄仁杰与护卫李元芳（张子健饰）正在乡间暗查民情，然而一起一天内连发两起命案的案件引起了他们的注意。《滴血雄鹰》则由一幅用鲜血图画的滴血雄鹰引出。
一对双胞胎姐妹，从小就分散了。当姐姐快要和未婚夫结婚的时候，妹妹出现把姐姐绑架，自己假装成姐姐的样子和姐夫生活在一起。
物理学家汤川学(福山雅治饰)从美国回到日本，女警内海薰(柴崎幸饰)向他寻求帮助。镇上一个很受欢迎的女孩突然失踪，几年后她的尸体被发现，汤川的同学、高级警探草薙顺平(北村一辉饰)逮捕了一名男性嫌疑人，但该名嫌疑人因警方缺乏证据而被释放。当这个男人回小镇里时，他又出现在了女孩家人面前，向他们挑衅。仇恨的气氛笼罩着整个小镇。然而，就在秋季节日巡游当天，这个人死了，镇上每个人都有杀人动机，但也有不在场证明。汤川、内海和草薙着手破解这道难题。
在风雨交加的晚上，一名男子从在宅中跑出来，骑上电单车逃去，女子欧仪追出，男子的电单车竟撞向大树！
午夜两点，传来无辜女子的凄厉求救声，在阳台上目睹杀人实况的尚勋（李星民饰），当他正准备要报警的时候，竟意外跟凶手对上了眼，让他与家人成为凶手的下一个目标。为了保护自己与家人，尚勋必须对警方隐瞒自己看见凶手的事实，并展开与杀人魔之间的惊悚追击…
鬼怪岛是一家以恐怖灵异为主题的游乐园，然而，某一日，这里却真的出现了灵异事件，导致顾客们纷纷四散奔逃，游乐园门可罗雀。游乐园老板找到了沙奇（马修·里沃德MatthewLillard饰）和他的大狗史酷比（NeilFanning配音），希望他们能够前来降妖除魔。
影片虚构了爱伦·坡死前“神秘”的5天里发生的事情。.
