《福尔摩斯二世》的主人公基顿（巴斯特·基顿 Buster Keaton 饰）是一名乡村影院放映师，平日沉迷于侦探小说，常常幻想自己是福尔摩斯那样的名侦探。一天，他将一块价值一元的巧克力谎称成四元送给女友凯莎琳（Kathryn McGuire 饰），却被情敌抓住机会陷害。对方诬称基顿偷了别人的手表并拿去典当，凯莎琳信以为真，不仅将基顿赶出家门，还解除了两人的婚约。
经过调查，基顿发现真正偷表典当的人正是情敌，可惜始终找不到能够证明自己清白的证据。一天，基顿在放映电影时，意外发现银幕上的剧情竟与自己的遭遇极为相似，人物关系也几乎一一对应，只是故事背景从乡村变成了上流家庭。放映过程中，基顿逐渐沉浸于电影世界，甚至从放映室走进观众席，再一头钻入银幕，试图亲手抓住那个陷害自己的情敌。
然而，进入银幕后的基顿并没有如愿成为无所不能的大侦探，反而处处碰壁、束手无策。随着电影场景不断转换，银幕中的影像也逐渐从他的幻想变成了现实……
