公元690年，经过八年苦心经营，武则天（刘嘉玲饰）即将正式登基，成为中国历史上第一位女皇帝。当时的中国，是世界上幅员最大人口最多的国家。仅仅唐朝神都洛阳一地，人口就将近百万。疆域西达葱岭，北达蒙古，南至越南。
随着高达六十六丈，象征至高皇权的"通天浮屠"渐近完工，武则天的登基大典也已就绪。世人皆知"浮屠落成之日，女皇登基之时"。不料，匪夷所思的命案竟接连在神都洛阳发生。死者无故自燃，都在胸腹间起火，延及全身，宛若炮烙般被烧成灰烬，未烧尽的部分也焦黑如残枝废炭。更让武则天心惊的是，受害者几乎都是她亲政之后提拔的亲信。
显然，凶手是在挑战她的权威。武则天深知只有找出凶手，才能安定人心，自己登基后的地位才能稳固。武则天急于揪出凶手，但她的敌人实在太多，多到难辨敌我。
就在此时，武后收到法力高强且多年来与她关系密切的国师陆离的讯息，说起如今妖人逆行犯案，皆因太白星离宫八年，身陷囹圄，尚未归位，武则天很快想起素有文武具备通天神探美誉的狄仁杰（刘德华饰）：当年，因为皇帝年幼、她决定垂帘听政，第一个跳出来反对的大臣便是狄仁杰。狄仁杰因此获罪，被囚禁到焚字库服刑，一晃就是八年。武则天下令，要自幼入宫与她亲若母女的贴身女官上官静儿（李冰冰饰）将狄仁杰尽速召回（如果他还活着的话）。狄仁杰还活着。不仅活着，经过八年磨难，他从一个意气风发、锋芒外露的办案高手，变成一个沉稳内敛，处变不惊的男人。他终日在焚字库里面对熊熊大火，焚烧着过期的奏折。面对上官静儿，狄仁杰似乎早已作好准备。
狄仁杰被召回神都洛阳晋见武则天，两人相对，感慨颇多：一个是当年桀傲不逊、几乎动摇自己权位的男子；一个是高高在上，让自己过了八年生不如死日子的女人。望着满面沧桑的狄仁杰，武则天特命他为钦差，协同大理寺彻查洛阳发生的焚尸案。也许此刻，只有全无官场包袱且智勇双全的狄仁杰，才能深入这诡谲阴谋的核心。
情势所逼，狄仁杰接下了这个任务。专门办案的大理寺少卿裴东来（邓超饰），阴错阳差成了狄的手下。加上狄仁杰原来入狱之前的老朋友、现任「通天浮屠总监修」的沙陀（梁家辉饰），三人联手，全力查案追凶。
最终，狄仁杰凭借非凡的毅力、勇气和智慧，理清了重重案情，发现沙陀才是幕后黑手，经过一番激斗将罪大恶极的凶手绳之以法。而他自己，也为此付出了巨大的代价。
