武周年间，帝京长安接连发生了几起离奇死亡案件。因为死因不明，忠烈祠飞天壁画杀人的谣言愈演愈烈。百姓纷纷认为是天降不祥，人心惶惶。在地方屡破奇案的狄仁杰和神武军都尉谢瑶环奉命一起调查此案，最终不仅破除了谣言，抓住了真凶，还化解了一段二十余年的恩怨。

古人相信命由天定，但其实很多所谓的“天命”背后，真相往往是人力为之。正如本片中人人惧而远之的“天弃女”，实际上只不过是个幼年遭遇变故、为了活下去不得不隐藏自己的苦命人。然而即便是受到了不公正的对待，她仍对生活抱有善意和希望，最终赢得了狄仁杰的尊重和友情。因此本片在注重案件的悬疑性和精彩性的同时，也着重宣扬“种善因、得善果”、“但行好事、莫问前程”的积极思想，同时也通过塑造狄仁杰这样一个公正无私、断案如神的“东方福尔摩斯”的形象，告诫人们“莫以善小而不为，莫以恶小而为之”，以及天网恢恢疏而不漏，任何罪案终于大白于天下的一日，任何人都要为他的罪行付出代价。