Anglia, rok 1884. Świat stoi u progu wielkich zmian. W dzień swoich 16. urodzin Enola Holmes (Millie Bobby Brown) odkrywa, że jej matka (Helena Bonham Carter) opuściła dom. Kobieta pozostawiła po sobie dziwaczne podarunki, lecz żadnych wskazówek dotyczących powodu swojego zniknięcia ani obecnego miejsca pobytu. Ciesząca się do tej pory beztroskim dzieciństwem Enola nagle trafia pod opiekę swoich braci, Sherlocka (Henry Cavill) i Mycrofta (Sam Claflin), którzy planują odesłać ją do szkoły z internatem dla "młodych dam". Dziewczyna ma jednak inne plany: ucieka, aby odnaleźć swoją matkę w Londynie. Wkrótce okazuje się, że jej własna misja powiązana jest z losami młodego, tajemniczego uciekiniera, Lorda (Louis Partridge). Rozwijająca swoje umiejętności detektywistyczne Enola okazuje się sprytniejsza od swojego słynnego brata i natrafia na trop spisku, który może odmienić historię ludzkości.