狄仁杰与李元芳在系列故事中接连遭遇奇异事件，首先是小庙的机关雕像险些伤人，随后铁甲军的银两在沙漠中神秘失踪。狄公通过线索发现古堡与小庙有关，怀疑有人欲图谋银两。古堡女主人托李元芳送信，疑点重重。团队在古堡中遭遇毒气，幸得夫人救援。凉州刺史曾泰着手调查，狄公解救军官并支持起义抗暴，行动被揭发。村民李四的事件中，狄公揭露匪徒的骗局，匪首计划在凉州城内交易，狄公团队及时介入。
狄公批评曾泰后，被任命调查饷银案，斥候证实了他的判断。他下令剿匪夺银，李元芳追踪过程中受伤。狄公清剿古堡，饷银仍下落不明。城中爆发瘟疫，商队被疏散，狄公团队发现铁甲军失踪者线索。古堡夫人薇儿来访，团队分析黑衣社的阴谋。狄公揭露刺客身份，并计划从银两与杀人手法中寻找线索。王锴被怀疑，调查指向天坨商人和匪徒的秘密交易。
案件深入发展，涉及大漠劫饷、杀人手法和瘟疫等谜团。李元芳揭露匪徒阴谋，关键在于揭示两者之间的关联。刺史府发生中毒事件，狄公揭示其预谋。狄公押回饷银，察觉事情并未结束。随着军官苏醒，案件明朗化，黑衣社阴谋浮出水面，大将军报告瘟疫，城中戒严。在紧张局势中，匪首被捕，狄公强调生命价值。匪首自裁，翠红院封闭，官船事故也带来盐运问题。
狄仁杰的新任务在江南道，调查邗沟覆船案。他发现上访者遇害，牵扯李翰夫人。李元芳追踪宁氏，过程中遭遇多番波折。狄公发现此案与受贿凭信有关，决定直捣黄龙。在河口镇，他们遭遇重重疑点，涉及盐枭和官府的复杂交织。狄公逐渐揭开官盐失踪的阴谋，追踪至何五奇，案件逐步逼近高潮。
剧集高潮迭起，狄公与团队深入调查，揭露卧虎庄与案件的关联，小青的牺牲和元芳的重逢带来转折。铁手团的介入使真相浮出水面，主凶被捕，邗沟大案最终落幕。狄公等人感慨于运河的恢复，全剧以大结局画上句号。【全剧终】
《神探狄仁杰3》主创均为前两部剧的原班人马，钱雁秋担任编剧、导演。梁冠华、张子健分别饰演男主人公狄仁杰和他的助手李元芳，董璇则在《神探狄仁杰3》中首次一分饰两角，分别扮演冷漠无情的杀手云姑和单纯的少女小青两个性格截然相反的双胞胎姐妹，须乾则继续饰演狄公的学生曾泰。