《狄仁杰之通天帝国》讲述武则天（刘嘉玲饰）登基前夕的悬案。为庆祝登基，她下令修建高达三百尺的通天浮屠，然而工程尚未完工，工部侍郎贾颐和大理寺卿薛勇（刘金山饰）便相继自焚身亡。监工沙陀（梁家辉饰）宣称，两人是因为触动通天柱上的灵符而遭到天谴。
奉命调查此案的大理寺少卿裴东来（邓超饰）与武后贴身侍卫上官静儿（李冰冰饰），在国师陆离的指引下，将目光投向了被囚禁八年的狄仁杰（刘德华饰）。武后随即下旨释放狄仁杰，任命他为钦差查办案件。重获自由的狄仁杰很快遭到刺客袭击，凭借周密防备及上官静儿的保护才得以脱身。
调查过程中，狄仁杰排除了琅琊王李宵（姚鲁饰）的嫌疑，也拒绝了对方邀请他共同对抗武后的提议。随着案情深入，他发现死者体内含有赤焰金龟之毒，于是与裴东来、上官静儿连夜前往鬼市，试图从昔日太医汪驴那里查明真相。三人却落入埋伏，疑似国师的身影现身，众多杀手也随之围攻，令他们陷入险境。经过一番激烈缠斗，案件终于出现了即将真相大白的转机。
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