没有事件可解，便无法称之侦探──号称「福尔摩斯」的大学生侦探明智恭介（中村伦也 饰），不顾助手叶村让（神木隆之介 饰）劝阻，缠上电影研究社社长，因为社内怪事连连：社员自杀、短片出现恐怖人脸、即将举办的合宿收到恐吓字条，令许多社员心生退意。然而，别人的麻烦正是侦探的乐趣，明智死缠烂 打想参加合宿却无法说服社长。苦恼时，神祕的美少女侦探剑崎比留子（滨边美波 饰）现身解围，以「不问她目的」和「她一同参加」为条件，让明智与叶村混进其中。
1933年的一个雨夜，英国剑桥大学的一名一年级学生盖伊（斯图尔特·汤森德 Stuart Townsend 饰）的寝室里，突然闯入了一位美艳动人的女子吉尔达（查理兹·塞隆 Charlize Theron 饰），盖伊好心收留她过夜，而后两人迅速坠入爱河。几年后，吉尔达成为了一名时尚摄影师，邀请盖伊前去她巴黎的豪宅相聚，并与她的模特兼密友米娅（佩妮洛普·克鲁兹 Penélope Cruz 饰）三人一起享受着时髦与欢乐的时光。然而，就在吉尔达的事业如日中天之时，第二次世界大战爆发了，三个好朋友因对于此持不同看法而分道扬镳，盖伊和米娅决定去往前线支援，而吉尔达则留了下来。6年的抗战之后，盖伊回到了日思夜想的巴黎，得知爱人吉尔达已成为千夫所指的德国军官情妇，却不知她其实是一名地下间谍。而此时的吉尔达已面临生死关头，一方面，她的间谍身份行将暴露，另一方面，巴黎的民...
