电影讲述了武周年间，帝京长安接连发生几起离奇死亡案件，死因不明，引发了忠烈祠飞天壁画杀人的谣言，民心惶惶。为平息恐慌，狄仁杰（梁朝伟 饰）与神武军都尉谢瑶环（周迅 饰）奉命调查。他们深入案发现场，逐步揭开案件真相，发现隐藏在背后的巨大阴谋。在层层迷雾中，狄仁杰和谢瑶环携手破除了谣言，抓住了真凶，最终不仅为受害者讨回公道，还化解了一段二十余年的恩怨，恢复了长安的和平与安宁。