武则天修乾陵，在立碑当晚，一巨神手持巨锤杀死了所有人，只有太子被手下救出。太子回宫禀报，武则天命大理寺必须在祭天大典前破案，并推荐三年前辞官为民的破案奇才狄仁杰协助他们破案。
大理寺卿司徒和夜月大人前往一妓院妙春坊寻找狄仁杰，却见狄仁杰与一富家公子秦公子争夺花魁兰心的独处机会，狄仁杰胜出。此举不仅使司徒不屑，更引来秦公子不满。他尾随狄仁杰，却被一群黑衣人误杀。司徒和夜月循声而至，夜月追逐黑衣刺客而去，司徒一口咬定狄仁杰杀了秦公子，将狄仁杰带到大理寺。
大理寺管事人崔岩深感此事难办，原来秦公子是定国公之子。定国公也正带人前来讨债，崔岩让司徒将狄仁杰带到一个安全的地方，自己去面对定国公，定国公不给面子执意要杀狄仁杰，夜月只得拿出武则天赐予的令牌，定国公折回。
司徒将狄仁杰带到死牢，死牢里的疯子差点掐死狄仁杰，不过他认出了狄仁杰怀中之物乃自己当年委托给好友赵崇鑫的，狄仁杰告知对方身份，并说自己之所以辞官就是为了寻找当年并州一案的真相，疯子唐义准备吐露真相，看到门外有刺客，为救狄仁杰身中两箭，临死喊出“神将灭世，图...”赶来的崔岩、司徒和夜月都听到了，大家都疑惑不已。
狄仁杰怕秦公子的死给兰心造成困扰，便来看望她，无意中看到她房中有一双沾满焦土的鞋子，狄仁杰想到乾陵焦土，便带人前去查看，发现当晚雷劈断碑是有人有意为之，而这种引雷术恰巧来自狄仁杰好友老墨之手。狄仁杰带司徒前去找老墨，让夜月跟踪兰心。
兰心月黑去了定国公府，老墨也带狄仁杰等人前去寻找买引雷术之人。在一山庄，众人眼看定国公要杀兰心灭口，司徒救下兰心，定国公看事情暴露逃跑。
兰心带众人前往鬼市寻找真相，途中被一群黑衣人抓住。牢里，狄仁杰推测出兰心是唐义的妹妹，而且兰心和定国公之前是在演苦肉计；牢外，老墨在找定国公要钱，却被定国公杀死，不甘心的老墨在定国公手上留下抓痕。
狄仁杰等人追兰心，遇见太子和护国公等人，司徒看见护国公两人便打了起来，但护国公貌似不记得先前之事。混乱中，巨神又降临，众人逃跑。安全时，狄仁杰解开真相：崔岩假扮定国公杀了老墨，老墨身上的龙涎香说明太子也参与其中，兰心则是太子手中的棋子。狄仁杰想让兰心回头，兰心认为太子爱着自己，不会背叛自己，上前询问太子被太子反杀。临死前兰心指引狄仁杰前往极乐谷寻找真相，却被太子困在谷中。
另一边，武则天准备祭天，太子带人操纵巨神，想要谋权篡位，幸被逃脱的狄仁杰引雷于巨神之上，太子兵败自杀。至此，无头神案告破，武则天封狄仁杰为大理寺卿。
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