武周年間洛陽城突發離奇命案，當紅舞妓蒙冤受戮后化作厲鬼索命，引發全城恐慌。武則天急召流放中的狄仁杰返朝查案，然其歸程遭刺墜崖失憶。商賈呂昭元因城門封鎖滯留城外，意外救助昏迷的狄仁杰后，在國相嚴密監控下被迫假扮神探。呂昭元以民間智慧屢破查案困局，逐步接近真相之際，恢復記憶的狄仁杰重返洛陽，發現死者尸身散發異香這一關鍵線索。雙雄聯手抽絲剝繭，最終揭穿國相借"鬼案"掩蓋采陰補陽秘術實驗的滔天陰謀，主謀畏罪自盡，受冤舞妓沉冤得雪。真相大白之際，洛陽城秩序得以重建，而真假狄公在查案過程中形成的情義羈絆成為貫穿全片的核心敘事線索。