Angleterre, 1884 - un monde au bord du changement. Le matin de son 16e anniversaire, Enola Holmes (Millie Bobby Brown) se réveille pour découvrir que sa mère (Helena Bonham Carter) a disparu, laissant derrière elle un étrange assortiment de cadeaux mais aucun indice apparent sur l'endroit où elle est partie ni pourquoi. Après une enfance libre d'esprit, Enola se retrouve soudainement sous la garde de ses frères Sherlock (Henry Cavill) et Mycroft (Sam Claflin), tous deux déterminés à l'envoyer dans une école de fin d'études pour jeunes filles "correctes". Refusant de suivre leurs souhaits, Enola s'échappe pour rechercher sa mère à Londres. Mais lorsque son voyage la trouve empêtrée dans un mystère entourant un jeune seigneur en fuite (Louis Partridge), Enola devient un super-détective à part entière, déjouant son célèbre frère alors qu'elle dénoue un complot qui menace de faire reculer le cours de l'histoire.