该剧主要讲述了唐朝时的大臣狄仁杰屡破命案的故事，包括《使团惊魂》、《蓝衫记》和《滴血雄鹰》三个小故事。

《神探狄仁杰》由《使团惊魂》、《蓝衫记》和《滴血雄鹰》三个各自独立又息息相关的故事组成。《使团惊魂》讲述武周年间，突厥战争结束，举国上下迎接突厥议和使团的到来。然而就在使团逗留期间，京城接连突发了几件举国震惊的大案。严峻的内忧外患令武则天忧思如焚，急调狄仁杰进京火速破案。《蓝衫记》中狄仁杰与护卫李元芳正在乡间暗查民情，然而一起一天内连发两起命案的案件引起了他们的注意。《滴血雄鹰》则由一幅用鲜血图画的滴血雄鹰引出。

唐武则天时期，十几年对突厥的战争结束了，天下太平举朝欢贺。此时的狄仁杰，已因故被贬为彭泽县令。这一天，满朝文武齐集太极殿，准备迎接突厥议和使团的到来。武则天俯视群臣，为狄仁杰未能到场深感遗憾。武三思却认为，狄仁杰被贬彭泽是罪有应得，若不是武皇天恩，他早就粉身碎骨了。