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Il primo episodio, Scandalo a Belgravia, è ispirato al racconto giallo Uno scandalo in Boemia. Holmes è impegnato in un'investigazione per recuperare delle foto compromettenti all'interno della fotocamera del cellulare di Irene Adler, una spietata e astuta dominatrice che scambia informazioni segrete estorte ai suoi ricchi e potenti clienti.

Nel secondo episodio, I mastini di Baskerville, Sherlock si trova impegnato a risolvere una serie di strani casi all'interno di una base militare.

La stagione si conclude con Le cascate di Reichenbach. L'intero episodio gira intorno al piano di Moriarty di screditare e, infine, uccidere Sherlock. Nella scena finale si vede Holmes a un passo dal gettarsi nel vuoto. L'episodio si ispira al racconto di Doyle L'ultima avventura, in cui Sherlock e Moriarty sembrano morire dopo essere caduti nelle Cascate Reichenbach, in Svizzera.