Per aiutare un vecchio collega nei guai, Holmes decide di partire per Londra, dove scopre che suo fratello Mycroft ha preso possesso della sua vecchia casa e l'ha radicalmente cambiata.

Il fratello di Sherlock, Mycroft, arriva a New York e si arruola insieme all’accoppiata Holmes e Watson per aiutarli a risolvere un caso che coinvolge la sua ex fidanzata Nigella Mason.

Mycroft cerca inutilmente di convincere Sherlock a tornare a Londra. Intanto, Haley Tyler, dopo aver donato il sangue a suo padre, viene misteriosamente assassinata.

Sherlock e Watson sono sulle tracce della sorella scomparsa di una ragazza che frequenta il gruppo di disintossicazione di Sherlock. Scoprono che la ragazza è stata uccisa accidentalmente in un parco.

Sherlock è costretto a collaborare con suo fratello Mycroft, per far luce su un caso che potrebbe avere tragici risvolti.

Mycroft rivela a Sherlock di essere un agente dell'M-I-6 e che il suo referente vuole vederlo per affidargli un caso: un ex analista dell'M-I-6 è stato ucciso ed il caso sta per essere archiviato.

In questo finale della seconda stagione: Le tensioni personali tra Sherlock e Watson rischiano di compromettere il loro lavoro per aiutare il fratello di Sherlock, Mycroft, che sta per essere incastrato con l'accusa di tradimento ed omicidio.