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公元653年。唐高宗皇位未稳急于用泰山封禅彰显皇威。自认血统高贵的安王李承道，卧薪尝胆图谋夺回皇位。李承道派死士暗中阻杀，泰山封禅在一场腥风血雨中惨淡收场。唐高宗在打击后一蹶不振不理朝政。郦贵妃为了制衡在后宫日益壮大的势力，决定让唐高宗把身处在感业寺中的武媚娘接回宫中。唐高宗借以感业寺修葺进香为名，带着官员们一起去寺里进香礼佛多少以挽回封禅受挫颜面，并顺道把武媚娘接回。狄仁杰带着家丁二宝，为躲避婚约尾随到长安述职的父亲。在父亲的引见下，狄仁杰与国丈爷刑部尚书王佑仁见面，狄仁杰这才发现王佑仁之子王元芳竟是当天在市集上遇到了纨绔公子哥。两人不打不相识，王元芳告诉狄仁杰感业寺最近闹鬼的传闻，约他一同前往探个究竟。却随即发生了一系列恐怖案件……成功破解感业寺疑云的狄仁杰得到唐高宗和武媚娘的欣赏与信任，狄仁杰与在寺中结识的李婉清互生情愫，而元芳与梦瑶也互生好感。几人决定四处游历。一路打打闹闹，也屡遇凶险，经历了鸢尾谷的亡灵案，孤岛魔影案，九天玄女童谣杀人案后，狄仁杰与元芳成为挚交好友，两对年轻人的情感也愈加浓烈。但敏感的狄仁杰却始终感觉到了李婉清对身世难以放下，以及身后一股神秘势力在暗中的蠢蠢欲动……
张大人被杀，王大人怀疑出现在案发现场的李婉青是凶手，李婉青辩解自己不是凶手，狄仁杰用现场分析的手法帮助李婉青解围，证明了李婉青并非凶手，但是狄仁杰还是希望王大人给他点时间抓住凶手。狄仁杰来到柴房，他从门缝看到李婉青被关押，武媚娘路过时帮他见到李婉青，李婉青回忆起凶手的模样，对狄仁杰说她判断是个男人。狄仁杰见武媚娘抱了一个空弦的琵琶，问道为什么没有琴弦，明空认为可能是小尼姑在搞恶作剧，但狄仁杰觉得没这么简单。
元芳在张大人的身上发现了一首藏头诗，狄仁杰和元芳看到后虽然不能立马解出来但是觉得这首诗没那么简单，在综合他听到的话，他觉得很有可能跟二十多年前的秘密有关系。
经过元芳和狄仁杰他们双剑合璧彻夜调查，狄仁杰和元芳几乎同时发现了线索解开了谜底，他们叫来了所有的人，重现了案发经过，经过很多人的求情皇帝开恩放了李婉青。元芳这时候拿出那首藏头诗，证明了凶手就是欧阳昊天。皇帝也下令抓捕欧阳昊天，可是没想到的是欧阳昊天上吊自尽或许是他杀。
一切线索又断了，似乎他们离秘密越来越近，但是同时付出的代价也很惨重。狄仁杰和元芳发现桌子上的书信，表面显示是自杀，但是狄仁杰觉得没有那么简单，不像是自杀。狄仁杰在房间中搜查线索佛龛前拿起杯子，他相信房间里有第二个人存在，而种种证据显示了周道的嫌疑。经过元芳和狄仁杰的双剑合璧，他们抓住了周道找出证据，周道也说出了当年杀人分钱的事情，但是秘密似乎并未解开，狄仁杰想要知道天王殿下面埋葬的妃子的身份，周道劝狄仁杰还是不知道的好，究竟还有什么样的秘密被埋葬着。