影片以大唐为背景，狄仁杰任职期间，都城接连发生离奇命案，死者皆呈现诡异死状，现场还留下神秘玄案线索。一时间，都城人心惶惶，谣言四起，甚至传出是妖邪作祟。武则天责令狄仁杰限期破案，以安民心。狄仁杰领命后，与助手李元芳深入调查。他们在探查过程中，发现案件与一个神秘组织有关，这个组织妄图通过一系列阴谋颠覆大唐。随着调查的深入，他们遭遇重重危险，不仅要面对神秘组织的杀手，还要解开各种机关谜题。最终，狄仁杰凭借着过人的智慧和推理能力，揭开了通天玄案的真相，将幕后黑手绳之以法，稳定了大唐的局势。