公元690年，武則天（劉嘉玲飾）即將正式登基，成為中國數千年帝制歷史中弟一位女皇帝。象徵至高皇權的「通天浮屠」漸近完工，武則天的登基大典也已就緒。路人皆知「浮屠落成之日，女皇登基之時」。不料，匪夷所思的命案竟接連在洛陽發生。死者無故自燃，都在胸腹間起火，延及全身，宛若炮烙般被燒成灰燼，未燒盡的部分也焦黑如殘枝廢炭。更讓五才天心驚的是，受害者幾乎都是她親政之後提拔的親信。

顯然，兇手是在挑戰她的權威。命案必須破，才能人心安定，自己登基後地位也才穩固。就在此時，武后收到法力高強且多年來與她關係密切國師陸離的訊息，說起如今妖人逆行犯案，皆因太白星離宮八年，身陷囹圄，尚未歸位，武則天很快想起素有「文武具備通天神探」美譽的狄仁傑。當年，因為皇帝年幼、她決定垂簾聽政，第一個跳出來反對的大臣便是狄仁傑。狄仁傑因此獲罪，被下放到焚字庫服刑，一晃就是八年。

她下令將狄仁傑（劉德華飾）盡速昭回調查此案。 狄仁傑經歷了八年磨難，他從一個意氣風發、鋒芒外露的辦案高手，變成了一條沉穩內斂、曖曖內含光的漢子。他終日於焚字庫裡面對高溫的熊熊大火，焚燒著過期的奏摺，看著帶了來自洛陽信件的上官靜兒（李冰冰飾），狄仁傑似乎早已作好準備。

就在狄仁傑查案的過程中，發現此案不但迷霧重重，而且殺機處處。有太多人不願他找出真相，太多人想除他而後快。狄仁傑一秉神聖使命，堅持步步深入。然而越往下查，案情越來越盤根錯節，牽連既深且廣。狄仁傑誓言，不管兇手官位多高，勢力多大，不惜生命也要查明真相，維護地國安危。

《通天神探狄仁傑》片中找來劉德華飾演唐朝名將、東方福爾摩斯並精通武功的狄仁傑。李冰冰則飾演武則天得力女將，同時也是歷史上唯一一位能文能武的「女丞相」上官靜兒，其他演員還有劉嘉玲、梁家輝。這是徐克導演的第50部作品，也是繼《七劍》後蟄伏五年回歸武俠片的作品，更是劉德華從影以來首次演出徐克的電影。這是一部集合懸疑、偵探、動作和武俠的全新類型，徐克導演運用最頂尖的技術展現獨特東方想像、拍出大唐盛世最壯麗的場面。而其中動作場面的風格更回歸徐克導演早期經典武俠片飄逸的美感，同時片中大量的特技以及詭譎的場面更媲美好萊塢魔幻大片。