7 年前
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天才物理学家汤川学此次又受内海薰所托，调查一件不可思议的命案。受害人富樫慎二被发现死在河边，面目指纹尽毁。最大的嫌疑人是他的前妻花冈靖子，然而靖子却有着完美的不在场证明。一个人能够同一时间出现在不同地方吗？当汤川发现住在靖子隔壁的是当年的大学同学、同为天才的数学家石神哲哉时引起兴趣。
毕业后因要照顾父母没有留校反而去高中教数学、一直生活得很落魄的石神每晚利用公用电话教靖子如何应对警察追查，靖子渐渐感到被束缚，但是由于给出的口供毫无可疑之处，警察决定放弃对靖子的调查，这时汤川却指出石神是关键人物。
案件的真相如何？世界上真有一个人同时出现在两个地方的事情吗？。本季延续《神探夏洛克第二季》的剧情，在莱辛巴赫坠楼案两年后，华生努力让生活重新步上正轨，集美丽与智慧于一身的玛丽·摩斯坦将与华生一同步入和谐浪漫的人生新阶段。然而此刻，夏洛克却上演复活戏码，虽然这是华生祈祷已久的愿望，但当愿望实现时，他还是无法坦然面对一切。这一次，夏洛克和华生需要解决伦敦街道下神秘的阴谋、婚礼上突如而来的意外，及面对恶名昭彰且阴险的勒索之王——查尔斯·奥古斯都·马格努森。夏洛克回来了，但一切还和以前一样吗？。蕾贝卡与罗伯特两人因父亲的口头承诺，21年后两人还是要为父亲的承诺买单，素未谋面的两人即将面临步入礼堂的尴尬处境，到底是结亲还是结仇？。
