《神探狄仁杰3》分为《凉州案-黑衣社》和《邗沟案-漕渠魅影》两个惊险绝伦、触目惊心的故事组成。故事承接第二部，狄仁杰（梁冠华饰）自连破幽州、并州、蛇灵、江州等一系列大案后，几经恳请，终于得武皇（吕中饰）允准回老家并州修养。然而就像护卫李元芳（张子健饰）所言，这看似颐养天年的平静中却蕴藏着更大的杀机与阴谋。
飞机上的一个乘客突然变得癫狂，又遭遇到飞机强气流，待一切平稳下来，这名乘客已经突发性脑水肿死亡。而这名乘客身份并不普通。他是某保姆单位的高级研究人员，因涉嫌向外间谍组织出卖国家情报而遭到了有关部门的监控。他的离奇死亡使得这场监控和追捕遭到了停滞。而这时，国安局逮住了死者的弟弟王浩。于是想出一计，让侦查员沈亢（孙红雷 饰）扮成王浩，进而引蛇出洞。而这场卧底追捕，与王浩的中间联系人就是飞机上的空姐李小晚（傅晶 饰）。二人在一来二往中，互生情愫。但无奈卧底的身份不得暴露，小晚则纠结王浩黑社会的身份。
