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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……
皇帝想要武媚娘回宫，可是那些大臣以死相逼，皇帝生气至极但是无可奈何，就在双方僵持不下的时候，狄仁杰突然闯进，皇帝特许他参与其中，狄仁杰初生牛犊不怕虎，他当面指责大臣迂腐不堪，李治趁机提起先皇遗训，狄仁杰趁此机会向大臣提出质疑步步紧逼，长孙无忌等人哑口无言，万般无奈下决定同意媚娘回宫，但是不能给媚娘任何名分，皇帝觉得自己不能对不起媚娘并不同意，但是媚娘并不在乎名分，她出面缓和这件事才作罢。
深夜时分，头戴天王面具的刺客再次出现要刺杀皇帝，但是房间中的并非皇帝而是元芳他们，他们合力擒住刺客，摘下面具才发现原来刺客就是婉青。
之前的案子，婉青一直在误导他们破案的方向，元芳觉得婉青最后的目标很有可能是皇帝，将计就计抓住婉青。其实，婉青是当年太子的亲生女儿，当年薛良媛和妹妹互换身份保住了孩子，死去的是薛良媛的妹妹，当婉青九岁之时就知道了自己的身世，她一直处心积虑就是想要为父报仇，婉青突然发难利用童梦瑶威胁他们逃了出去。
皇帝要回宫，婉青在慧园师太坟前拜祭做最后道别，狄仁杰知道婉青在这里出面阻止，狄仁杰心意已决，他不顾自己安危用自己的身体挡住婉青不要他报仇，狄仁杰很是在乎婉青的感受，他用肩膀挡住婉青的剑，他没有闪开，婉青问为什么这样，狄仁杰说她不报仇就够了，婉青终于被狄仁杰所感动暂时放下了报仇之念。
皇帝因为这件案子对众人论功行赏，元芳被封正六品主事，狄仁杰不喜束缚皇帝派他四处游历，并赐予金书铁卷，在媚娘的恳求下，皇帝准予婉青随同狄仁杰一同游历，狄仁杰很是欣慰。