上世纪30年代末，古老的中华大地正经受着最为苦难的时刻。外有日寇铁蹄进犯，内有不同派别势力的斗争碾压，战火连绵，生灵涂炭。为了获取重要的情报，共产党方面派出周乙（张嘉译 饰）和顾秋妍（宋佳 饰）假扮夫妻，潜入哈尔滨的警察厅特务科。周乙被任命为特别行动队队长，但他的真实身份一直受到高科长（程煜 饰）的怀疑。
公元626年，大唐都城长安内突然异象丛生，疑案四起，人心惶惶。大理寺成立调查组，调查这些看似怪力乱神的事件，成员囊括通晓伽罗术的萨摩多罗，超强分析能力的卿李郅，熟练的制造火药并操作连环火枪的黄三炮，精通各类武器的公孙四娘，“人版移动书库”上官紫苏，医学鬼才仵作谭双叶。在接二连三的诡谲案件中，调查组原事实真相，破除坊间迷信。如“地狱古井”村民们正在逃离被诅咒的东水村；“雷公判案”老爷和书生皆被雷公劈死。随着调查逐步深入中，众人渐渐发现，黑伽罗妄想用卑劣的手段企图颠覆和谐的大唐。最终邪不胜正，调查组彻底击碎了黑伽罗的邪恶阴谋。少年们除了那份不变的热血豪情，更多了一份坚定的守护家与国的责任之心。
