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Enola Holmes (Millie Bobby Brown) é uma menina adolescente cujo irmão, 20 anos mais velho, é o renomado detetive Sherlock Holmes (Henry Cavill). Quando sua mãe (Helena Bonham Carter) desaparece, fugindo do confinamento da sociedade vitoriana e deixando dinheiro para trás para que Enola faça o mesmo, a menina inicia uma investigação para descobrir o paradeiro dela, ao mesmo tempo em que precisa ir contra os desejos de seu irmão, Mycroft (Sam Claflin), que quer mandá-la para um colégio interno só de meninas. A caminho de Londres, ela conhece um lorde fugitivo (Louis Partridge) e passa a desvendar quem pode estar atrás do garoto e que quer impedir que uma importante reforma política ingesa aconteça.