公元680年，唐高宗李治预备御驾亲赴泰安祭天。安排太子李贤由张柬之大人和郭大人先赴泰安做祭天准备事宜。泰安知府为太子准备了行宫，并安排捕头胡风山去浴花谷玲珑姑娘那里买来大量的花草。
太子李贤在自己的行宫中邂逅正在管理花草的玲珑，一见倾心，想念非常，就专门去找寻玲珑姑娘并为其画像，而玲珑也对李贤很感兴趣。
唐高宗李治御驾亲赴泰安途中遇到埋伏，护卫死伤惨重，虽歼灭了敌人，但高宗李治差点被羽箭所伤，大为惊怒。护卫统领李多祚在死尸中认出有一具是太子的护卫，高宗李治命李多祚去泰安调查，在太子行宫中地窖中发现大量的兵器，还有一件龙袍。高宗听闻后大怒，将太子押往大牢，并处死了所有的太子行宫护卫。而张柬之大人和郭大人也被牵连其中。
张柬之看到事态严重，太子的储君地位已经动摇，而李唐的历史也有可能大变，就命手下快马去南方寻找狄仁杰，希望其能把此案查得水落石出。
狄仁杰得到消息，认为这是国家的重大危机，于是冒险赴泰安进行调查。由张顺子口中得到的事情的大概经过，为了深入了解案情，半夜狄仁杰亲自去太子行宫调查，发现胡捕头正在等着自己。在胡捕头的带领下，查看了地窖和被封存的兵器库，在这两处地方都发现有散落的花瓣。
狄仁杰来到浴花谷，发现欲花谷的主人玲珑姑娘已经失踪，而恰巧碰到张顺子给欲花谷的花浇水，但张顺子却否认知道玲珑的去处。
神探狄仁杰前传剧照
胡捕头以跟踪张顺子为由，把狄仁杰带到欲花谷的山洞中，在山洞中发现散落的兵器，胡捕头告诉狄仁杰太子李贤曾经到过欲花谷，并把线索指向太子。种种证据表明李贤太子和私藏兵器有关，但狄仁杰却不这样认为。
狄仁杰和色子到外查访。发现街上有人卖琅琊王的令牌，并在荒郊野外找到14具尸体，在他们身上都发现琅琊王的令牌，而琅琊王和太子李贤一直都是很好的朋友，这些证据都表明是太子河琅琊王合谋要加害皇上，但狄仁杰却不这样认为。认为这是诬陷太子的人给自己弄的迷魂阵。
狄仁杰推断出玲珑和太子的关系，并发现胡捕头有疑点。
狄仁杰为了能公开查案，决定自己亲自去京城向皇上请旨，让色子留下来监视胡捕头，但他们没想到他们正在一步一步走进别人设的陷阱。
色子奉命监视胡捕头，但胡捕头却被人杀害，色子当场被御林军包围，他们诬陷是色子杀了胡捕头，是杀人灭口。色子为了不连累狄仁杰，甘愿被捕。
狄仁杰来到京城，面见高宗皇帝，在大殿上高宗责怪他不应该不请旨就开始查案，认为他这是无视皇上，正在这时张光弼向皇上上书，说狄仁杰在泰安私设公堂，还派自己的手下色子杀害15名太子谋反案重要证人，皇帝大怒把狄仁杰软禁在府中。这时候狄仁杰才发现诬陷太子的人，他们要害的不仅是太子、张柬之，还要把狄仁杰置于死地。
武则天皇后向皇上为狄仁杰求情，希望能网开一面。最后，皇上削去李贤太子之位，押送成都府监管，张柬之降为五品知府，派到成都府去监管李贤太子。狄仁杰降为七品，被派往北州上任。
公元684年，高宗病逝，李旦继位，为李贤太子平反的呼声聚气，大唐皇朝再次陷入动荡之中，皇太后武则天宣召狄仁杰官复原职，狄仁杰携幼子狄光远赴京上任。令他没想到的是五年前的太子冤案又要沉渣泛起。
武则天听从狄仁杰的建议，派李多祚到成都府接李贤太子回京，但不想在李多祚到成都后，太子却被不明身份的人劫持，生死未卜。
