神探狄仁杰3剧情分为《凉州案-黑衣社》和《邗沟案-漕渠魅影》两个惊险绝伦、触目惊心的故事组成。

　　凉州案

　　武周年间，正值盛世，然边事频仍，连年征战，守边将士军心不宁。军中缺饷，无力维持。此时的狄仁杰，正带领着李元芳和四大军头蜿蜒在去往凉州的山道中。

　　狄公自连破崇州、蛇灵、江州等一系列大案后，几经恳请，终于得武皇允准回老家并州休养。他想于回家的路上，绕道去看望凉州刺史曾泰并向他辞别。想到老朋友，想到诗酒相会笑谈功过，想到回乡远离纷争的朝事，想到专心务农垂钓汾水，狄公倒是颇感欣慰。但李元芳耿直地向他指出，他没有这等享清福的命。

　　凉州刺史曾泰是狄公的门生，他接到了朝廷急报，说是西北马上要发生大地震，曾泰立即组织防灾抗震事宜，及时疏散了城中的百姓。但当地震来临之时，仍然是房倒屋塌，损失惨重。想到大漠之中押运饷银的三千铁甲军，曾泰忧心如焚。万一他们出了事，那可是要塌天的。他立即派人前去接应。但当派出的援军找到这支队伍时，军中所有的人都中了邪，围做几圈不停地欢歌狂舞，片刻便力竭吐血而死。而他们押运的五百万两饷银也不翼而飞。这惊天的变故令曾泰瞠目结舌战栗不已。案情发生，曾泰采取紧急措施，一方面封锁州境，一方面驰报朝廷听候处置。

　　狄公及时赶到了，他批评曾泰对黑衣社的漠然不知，并立即对案情作了准确的推断。一场惊险绝伦的侦查与反侦查，控制与反控制的战斗，一场破获“地狱行动”的精彩战斗打响，并层层翻滚推向高潮。最终，真正的黑衣天王现身了，她得意地告诉狄公所谓“地狱行动”的全部设想。这听起来真有些令人毛骨悚然，也颇有些大难临头的味道。然而，狄公却自信地笑了，他娓娓地讲起了故事。

　　狄公从黑衣社的起源开讲，一直讲到她们此行的全部细节和态势，分析得丝丝入扣毫厘不爽。就在这时，外面响起惊天动地的喊杀声，这是凉州卫铁骑进城擒杀逆党的声音。逆党们惊呆了。接着，狄公开始讲述他层层分析破解这一切的神奇经历，讲到了双方力量的部署和战役胜败的变化，可谓有声有色，动魄惊心。这时张环、李朗率队将院子团团围定，黑衣逆党们束手成擒。

　　狄公答应了她们最后的请求——黑衣天王自裁了。大案结陈，凉州城终于恢复了它往日的繁华。曾泰和李元芳二人问狄公翠红院的事，狄公一语惊人，道出了一段鲜为人知的黑衣社先祖的情感隐秘，那是一段饶有意味的故事。

　　漕渠魅影

　　雷鸣电闪，大雨如注。大运河长江通往淮水的邗沟水面波涛汹涌，白浪浊天。狂风暴雨之中，江淮盐铁转运使的运盐官船在邗沟覆没。一年之内，这已是第十五次了，数百运卒丧生，数百万石食盐没于水中。而朝廷派去查察此事的官员均是无功而返，更有甚者，出漕调查的水部郎中李翰竟然在任上自缢身死。由于盐运受阻，扬州西北各地都已经发生了盐荒。武则天急召狄仁杰进宫，任他为江南道黜置大使，兼江淮都转运使，察查邗沟覆船大案。狄公带领李元芳、曾泰赶赴扬州。

　　经过艰苦卓绝的调查和推断，案情终于真相大白。所谓的邗沟覆船案，乃是铁手团纠集官府及绿林各道联手策划的巨大阴谋。首先铁手团派出杀手虎云，在邗沟将运盐船队凿翻，并将船上之人全部拖入水中溺死;而后出动水鬼将沉入水中的官盐盗捞起存。紧接着派出大趸船将盐转运出境，而漕运使杨九成，则是为私盐转运提供一切便利，开据官凭路引，逃避巡河官的检查。之后，扬州刺史崔亮、长史吴文登便利用职权威逼利诱淮北各地方官吏，遏止官盐入淮，人为地造成淮北盐荒。这样他们便独霸淮北盐市，明目张胆地将邗沟落水的官盐以高价发售到盐荒各县，以牟取暴利。

　　狄公乘胜组织举行卧虎庄会战。他微服前去卧虎庄与曾泰的大军会合，不料却被铁手团得到了消息，在洪泽客栈将狄公围住。扬州刺史崔亮、长史吴文登和漕运使杨九成也公开露了相。狄公认为来的不只是他们三个，果然，铁手团宗主大步走进门来，冷冷地望着狄公。最后的战斗动魄惊心，武功盖世的宗主被李元芳杀死，隐藏最深的林阳也落入法网。

　　捷报传到洛阳，武则天读罢奏折缓缓起身，目光扫过下站群臣道：邗沟覆船已发两年有余，各部遣吏皆不能破，独狄怀英精缜谋查、俯仰事非，旬月便告功成，真是神乎其能!狄怀英折中所奏，一概照准，毋须复议。原来凶手是隐藏在他们中间的，大家都没想到。

　　邗沟通航，淮北终于可以吃到朝廷的平价官盐了。狄公望着宽阔的河面，心情久久不能平静。