大唐长安发生了一起凶杀案，大食国使节萨罗在青楼被杀害，现场一片混乱。狄仁杰和洪云受命追查此案，却遭到真凶的伏击，洪云惨死在一个叫天煞的铁勒人之手，同时幻涅魔蛾的虫后蛹也被天煞抢走。因为办案不顺利，狄仁杰被武则天解职。几年过去了，武则天突然患上了癫狂奇毒，怀疑有人下毒，于是命令金吾卫统领元丰召回狄仁杰，秘密调查此案。而此时的狄仁杰已经过上了平静的农夫生活，和妻子过着幸福的日子，没想到元丰的到来打破了这种平静。面对元丰的请求，狄仁杰拒绝了，但妻子劝解他为了国家和人民的安定，他最终迟疑地离开了妻子，和元丰秘密回到了京城。在武则天的寝室，狄仁杰看到了曾经的女皇形容憔悴，生命如同风中残烛，让他感到非常叹息。就在他想要调查此案的时候，元丰突然中毒发狂，这对狄仁杰造成了巨大的打击。在制服了元丰之后，狄仁杰在现场抓住了一只可疑的飞蛾，带回了故宅的实验室进行药液检测，结果发现这只飞蛾是来自大食国的幻涅魔蛾，也就是当年被天煞等铁勒人抢走的大食国贡品。这种飞蛾的蛾粉剧毒无比，能够致人幻觉发狂而死亡，但因为不完整，毒性不强，只能通过日积月累来杀死目标。就在狄仁杰和元丰商量下一步行动的时候，天煞带人偷袭，意图杀人灭口，但可惜面对狄仁杰和元丰，最终狼狈逃脱。为了解毒武则天，狄仁杰带着元丰通过乱葬岗的隧道来到九幽城寻找精通虫道的洪云妹妹飞羽。飞羽帮助他们用幻涅虫王调制了魔蛾的解毒药剂。与此同时，天煞带人偷袭，三人击败了天煞，逃离现场，并成功将解毒药剂带回皇宫，给武则天服下。然而，这一切实际上是武则天的计谋。原来，她和铁勒首领诺依德勾结，命令元丰勾引狄仁杰寻找飞羽，从而暗中得到天下唯一的幻涅虫王，用来制作完整的幻涅魔蛾，以毒死李氏宗亲，巩固皇位。狄仁杰和飞羽被指控谋反罪，被关进了监狱。在得知真相后，元丰放出了狄仁杰和飞羽。三人根据元丰脚底的碳粉，在洛阳的废弃铁匠铺找到了铁勒部的老巢，但已经晚了一步，诺依德等人已经潜入武则天的寿诞庆典。得知诺依德并不打算听命于武则天，而是计划叛逆她，杀死大唐皇族和重臣，从而里应外合，夺取中原。解决了天煞之后，狄仁杰等人假装成竺国使节潜入寿诞庆典，共同努力阻止幻涅魔蛾的扩散，挫败了诺依德的阴谋。与此同时，武则天也意识到亲情比龙椅更重要，放弃了李氏的想法，迟疑之下，还是放走了忠于君国的狄仁杰。于是，狄仁杰和飞羽离别了元丰，踏上了回家的路。