Enola Holmes (Millie Bobby Brown) é uma menina adolescente cujo irmão, 20 anos mais velho, é o renomado detetive Sherlock Holmes (Henry Cavill). Quando sua mãe desaparece, fugindo do confinamento da sociedade vitoriana e deixando dinheiro para trás para que ela faça o mesmo, a menina inicia uma investigação para descobrir o paradeiro dela, ao mesmo tempo em que precisa ir contra os desejos de seu irmão, Mycroft (Sam Claflin), que quer mandá-la para um colégio interno só de meninas.