Watson ora lavora per la Polizia di New York da sola. Le si presenta un caso apparentemente irrisolvibile: un duplice omicidio, in un ascensore in movimento, con dentro solo le due vittime.

Holmes e Watson lavorano insieme su un duplice omicidio, ma l'atteggiamento della nuova apprendista di Sherlock, Kitty, rischia di compromettere l'indagine.

Sherlock aiuta un genio matematico della sua rete di consulenti "irregolari" che rinviene un cadavere mentre partecipa a una caccia al tesoro.

Sherlock deve far luce sul misterioso furto di un programma denominato 'Bella', che sembra essere il primo caso di Intelligenza Artificiale.

Holmes e Kitty indagano sull'omicidio di un uomo coinvolto in un traffico di diamanti illegali. Intanto, Gregson mette in pericolo la sua carriera.

Holmes e Watson indagano per rintracciare un ladro che ha commesso un omicidio pur di mettere le mani su una mappa molto rara. Joan pensa che Sherlock non debba intromettersi nella vita privata di Kitty.

Un odore di noce moscata aleggia sulle scene del delitto di un apparente serial killer, ma le indagini portano a una sconvolgente quanto macabra verità.

Holmes e Watson uniscono le forze con I'NYPD in seguito all'omicidio di un agente di polizia. Inoltre, Sherlock è alla ricerca del creatore di un "blog di recupero".

Un'infermiera, ex collega e amica di Joan, è scomparsa e Sherlock assume il caso anche per eludere la partecipazione agli incontri del gruppo di ascolto con Alfredo.

Mentre Kitty è impegnata a cercare una ragazza scomparsa, Sherlock e Joan vengono contattati per il decesso di due anziani coniugi. Holmes si rende conto che la loro morte è stata un danno collaterale nell'omicidio di un brillante bioingegnere che viveva nello stesso stabile. Le modalità del delitto fanno pensare al coinvolgimento di un cartello della droga e su queste basi viene trovata una struttura nella quale la vittima coltivava piante di canapa indiana. Tra di esse spicca però un'orchidea di grande valore, ultima rappresentante della sua specie.

Nel corso del suo primo giorno di lavoro alla compagnia assicurativa Joan viene richiamata urgentemente da Sherlock: sul cadavere di una donna sono stati notati gli stessi segni di tortura che Kitty porta sul proprio corpo. In un locale dove la vittima è stata vista l'ultima volta viene trovato un telefono usa e getta, sul quale vengono rilevate le impronte di un pregiudicato, gestore di un bordello per conto della mafia albanese.

Kitty riconosce nel nuovo capo di Joan la voce del suo aggressore. Gruner, che ha ascoltato i ragionamenti degli investigatori attraverso il telefono aziendale fornito alla sua dipendente, la licenzia non appena viene scoperto, al fine di far sembrare le accuse dei tre come una vendetta per la perdita del lavoro. Non potendo ricollegarlo alle vittime più recenti, Holmes e Watson cercano tra i casi irrisolti quelli più affini al modus operandi del serial killer.

Alla fine Kitty se ne va, dopo aver detto a Sherlock di volergli bene e averlo ringraziato per averla "salvata". Nel finale si scopre che a Londra, mesi prima, Kitty salvò a sua volta Sherlock da una ricaduta, impegnando il suo tempo e diventando la sua nuova pupilla.

Dopo l'abbandono di Kitty, uno Sherlock solo e annoiato accetta il primo caso che gli capita, la sparizione di un uomo. Nel frattempo, il fidanzato di Joan, Andrew, viene avvelenato.

Joan è chiusa in casa sotto scorta dall'avvelenamento di Andrew e non riesce a darsi pace, ma una vecchia conoscenza vendicherà la sua morte.

Holmes accetta un caso di rapimento di due zebre da uno zoo e si fa aiutare dal Detective Bell a risolverlo.

Un assassino uccide i parenti delle vittime di un volo precipitato tempo prima, lasciando ai cadaveri le somme in danaro corrispondenti ai risarcimenti previsti dalla compagnia aerea. Nel frattempo Watson fa ritorno a casa di Holmes, sicura che si tratti della soluzione migliore per la loro attività investigativa.

Sherlock viene accusato dell'omicidio di una donna, avvenuto nel 2011 durante il suo periodo di tossicodipendenza, perché sulla scena del delitto è stato ritrovato un biglietto da lui scritto. Sherlock non si ricorda nulla di quel periodo.

Holmes e Watson indagano su un omicidio che inizialmente sembra un incidente di rabbia stradale, ma prende una nuova direzione quando scoprono che la vittima era congelata al momento della morte. Inoltre, quando la madre di Watson scopre che il fratello di Joan sta tradendo sua moglie, mette Joan nella posizione imbarazzante di confrontarsi con lui sulla relazione.

Watson si occupa di un caso di bullismo online. Holmes viene contattato da un membro di Everyone per risolvere qualche conflitto all'interno del gruppo, ma uno di questi viene ucciso e la faccenda si complica.

Sherlock e Joan indagano sulla morte di uno scettico di professione e si imbattono in quella che sembra essere una pericolosa minaccia per la sicurezza nazionale. Intanto Joan aiuta anche Hannah, la figlia del capitano Gregson, a risolvere un caso.

Holmes e Watson, cercando di risolvere il caso di omicidio di due paramedici, scoprono l'esistenza di trafficanti che sfruttano civili ignari come tramite per trasportare la droga.

In seguito all'uccisione di un giudice, i sospetti inizialmente cadono su una detenuta evasa, ma la verità sarà più complessa.

Mentre Watson e Holmes indagano sulla morte di un apicoltore e di milioni di api dell'area di New York, vengono a conoscenza del rapimento di un emiro.

Oscar, ex spacciatore di Sherlock, torna nuovamente nella vita del detective: rapisce Alfredo e, in cambio del suo rilascio, gli chiede di trovare sua sorella, scomparsa da due giorni. Alla ricerca partecipano anche Joan, il detective Bell e il capitano Gregson.