大唐長安發生一起兇殺案，大食國使節薩羅，在青樓遇害，現場一片狼藉。 狄仁杰、洪云奉旨追查，卻不料遭到真兇一伙人的埋伏，好友洪云也慘死一個叫天煞的鐵勒人之手，而作為貢品，幻涅魔蛾的蟲后蛹也被天煞奪取。因辦案不利，狄仁杰被武則天革職查辦。 一晃數年，剛剛稱帝的武則天一夜之間，身中癲狂奇毒，懷疑有人下毒，于是命金吾衛統領元豐，召狄仁杰回京，秘查此案。 而此時的狄仁杰，已經成為一個農夫，每日和懷孕嬌妻為伴，不曾想元豐的到來，會打破生活的平靜。 面對元豐的懇求，看破宦海沉浮的狄仁杰，斷然拒絕，而妻子卻開解丈夫，為了社稷安寧，天下百姓，狄仁杰再三猶豫，還是告別妻子，和元豐秘密回京。 在武則天的寢室，曾經的一代女皇，形如枯槁，生命如風中殘燭，讓狄仁杰頗為感慨之際，元豐突然中毒，大發癲狂，攻擊狄仁杰。 在制服元豐后，狄仁杰在現場，捉住一只可疑的飛蛾，于是和元豐，帶回故居的實驗室，藥液檢測之下，竟然發現，此飛蛾是產自大食國的幻涅魔蛾，也是當年，被天煞等鐵勒人搶走的大食國貢品，其蛾粉，劇毒無比，能令人致幻癲狂而死，但因為不是完全體的幻涅魔蛾，所以毒性不強，只能日積月累，才能殺死目標。 就在二人商量下一步行動之際，天煞帶著手下偷襲，意欲殺人滅口，但可惜面對狄仁杰、元豐，還是狼狽而逃。 為了給武則天解毒，狄仁杰帶著元豐，通過亂葬崗的地道，來到了九幽城尋找精通蟲道的洪云妹妹---飛羽。 精通蟲道的飛羽幫二人，以幻涅蟲王調制了魔蛾的解毒藥劑。與此同時，天煞帶人偷襲，三人殺死天煞，逃出生天，并成功將藥劑，帶回皇宮，給武則天服下。 然而，這一切其實是武則天的苦肉計。 原來，她和鐵勒首領諾依德合謀，命元豐引誘狄仁杰尋找飛羽，從而黃雀在后，得到天底下唯一的幻涅蟲王，用來制造真正的完全體幻涅魔蛾，以毒殺李氏宗親，鞏固皇位。 狄仁杰、飛羽以謀反罪，鋃鐺入獄。 元豐在得知真相后，棄暗投明，放出了狄仁杰、飛羽。 三人根據元豐腳底的碳粉，在洛陽的廢棄鐵匠鋪，找到了鐵勒部的老巢，卻遲了一步，諾依德等人已經潛入武則天壽誕。 從埋伏的天煞口中得知，諾依德并不打算聽命武則天，而是計劃背叛她，殺死所有大唐皇族重臣，從而里應外合，入主中原。 解決掉天煞后，狄仁杰等人偽裝成天竺國使節，潛入壽誕，齊心合力，成功阻止了幻涅魔蛾的擴散，挫敗了諾依德的陰謀。 而經過此時，武則天也意識到親情比龍椅更重要，于是放棄了對付李氏的想法，猶豫之下，還是放走了忠君愛國的狄仁杰。 于是乎，狄仁杰、飛羽告別元豐，踏上了回家的路。