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。