该片讲述的是未入朝堂前的青年狄仁杰在恋人公孙玉和好友杨卢的帮助下，通过案件调查抽丝剥茧，智破长安城中“庆忌”小妖杀人案，以及勇保家国社稷和黎民百姓的故事。

本片讲述了狄仁杰在一片乱局一种受命调查通天教主奇案，一路上历经艰险，凭借聪明才智破解了真相，救出了被绑架的武则天，并拆穿通天教主的真身，挽留了国家于为难的故事。

武周时期，御史中丞胡显德一家被杀，武则天命狄仁杰前往调查。狄仁杰调查发现，原本老实本分的胡显德离奇般参与了一场大案，狄仁杰不禁生疑，察觉此案可能是一个案中案。狄仁杰查案过程中，不断遇见各种诡异事件，案件相关人员也接连离奇死亡。伴随着阴兵索命，案件一筹莫展，狄仁杰被巨大的阴谋笼罩……

垂拱元年，武则天携百官夜巡大运河，洛阳万人空巷，奔赴龙门，只为争睹圣容，没想到却在运河之中，遭遇龙形异兽冲撞龙船，洛阳百姓议论纷纷，认为是不祥之兆，武则天大怒，急召狄仁杰回宫彻查运河龙王一案，整个洛阳城风声鹤唳，人心惶惶。狄仁杰临危受命，抽丝剥茧，以此独有的智慧和人格魅力，不畏强权，不惧神鬼，不受诱惑，见招拆招，最终让真相水落石出！

并州发生鼠患，监狱坍塌，狄仁杰临危受命。大量村民因为鼠患而染病，被困城中。狄仁杰为了挽救全城百姓的性命，追查病源，然而随着调查的深入，原来鼠灾背后竟然还隐藏着一个巨大的阴谋。

武则天（刘嘉玲 饰）登基之前，修建了高达三百尺的通天浮屠。竣工之前，却先后发生命案：工部侍郎贾颐、大理寺卿薛勇（刘金山 饰）相继自焚而亡。监工沙陀（梁家辉 饰）称此二人因动通天柱之灵符而遭天谴。大理寺少卿裴东来（邓超 饰）、武后贴身侍卫上官静儿（李冰冰 饰）奉命调查，但国师陆离却指点此案需狄仁杰（刘德华 饰）查办。武后下旨，入狱八年的狄仁杰获释任钦差负责此案，却遭刺客袭击。所幸其早有防备，加之上官静儿陪护，得以脱身。狄仁杰排除了怀疑对象琅琊王李宵（姚鲁 饰），并拒绝了其对抗武后之约。狄仁杰发现，死者身中

《狄仁杰之飞头罗刹》是一部古装探案电影，讲述的是祈福仪式之时，天空现一巨型飞头，一时间人心惶惶。狄仁杰与赫连休屠联手查案，几番周折，狄仁杰等人来到神秘的北冥幽都，众人遭遇伏击险些丧命。回到洛阳后，天生异象，危机四伏，狄仁杰临危不惧，终查出幕后凶手。

唐朝麟德年间，唐高宗与武则天强硬派出大军远征，谁知舰队在大海中遇袭，遭到重挫。该事件震惊洛阳，都城百姓狂热祭拜龙王，缭乱众生的“花魁”银睿姬更惹来各方势力觊觎。狄仁杰奉武后之命调查龙王一案，偏巧卷入绑架银睿姬的案件之中。在与劫匪搏杀过程中，狄仁杰遭遇亦敌亦友的大理寺卿尉迟真金，遂被对方投入大牢。银睿姬一案内龙王身影再现，使洛阳上空更添一道疑云。狱中狄仁杰凭借缜密推理博取回纥医工沙陀忠的信任，逃出大牢同查龙王真相。两起案件错综复杂，相互纠缠，引向全然未知的方向……

狄仁杰大破神都龙王案，获御赐亢龙锏，并掌管大理寺，使他成为武则天走向权力之路最大的威胁。武则天为了消灭眼中钉，命令尉迟真金集结实力强劲的「异人组」，妄图夺取亢龙锏。在医官沙陀忠的协助下，狄仁杰既要守护亢龙锏，又要破获神秘奇案，还要面对武则天的步步紧逼，大唐江山陷入了空前的危机之中……

初到长安赴任的狄仁杰就在繁华街头目睹了一桩奇事：一只浑身燃烧着幽火的麒麟，大闹上元节灯市，伤人无算。狄仁杰救下孩童，与不良帅林木森联手追击火麒麟，却让火麒麟逃脱。天后武则天震怒，命大理寺卿薛鑫查清此案。因种种误会，狄仁杰和薛鑫之女薛安安成了欢喜冤家，两人却又不得不联手查办火麒麟一案。狄仁杰因在当日灯市现场发现了一支珍奇发簪，将线索引向了齐王府，更是牵扯出小王爷李畀和青楼舞姬慕容灵的爱情故事。随着调查的深入，狄仁杰发现案情愈发显得扑朔迷离，西域吐火罗的秘术，十年前的灭门之祸……