《狄仁杰之飞头罗刹》是一部古装探案电影，讲述的是祈福仪式之时，天空现一巨型飞头，一时间人心惶惶。狄仁杰与赫连休屠联手查案，几番周折，狄仁杰等人来到神秘的北冥幽都，众人遭遇伏击险些丧命。回到洛阳后，天生异象，危机四伏，狄仁杰临危不惧，终查出幕后凶手。

大唐，边境小城发生连环凶杀案，民众夜间看到神秘兵团运送财宝。武则天（杨恭如 饰）令狄仁杰（罗立群 饰）前去探案，狄仁杰了解到见过神秘兵团的人接连丧命，就连现场尸首也呈现“沙化”现象。前来寻亲的李少侠与调查案件陷入困境中的狄仁杰携手解密，在两人的共同努力下，一场颠覆大唐的阴谋逐渐浮出了水面......

故事发生在唐朝，天授年间，国泰民安却也暗潮涌动，坊间多有诡事发生。年轻的狄仁杰在追查多人失踪案时无意中撞见活人变干尸的怪事。官府刻意隐瞒，皆因此事涉及武后和长孙无忌宫廷内斗，狄仁杰一意孤行誓要和发小，女保镖鱼兰青把真相揭露到底，却遭遇神秘刺客袭击，从而结识了身背两条人命债的嫌犯欧阳华，千丝万缕中他渐渐发现真相的背后还有…

晋阳名伎在大庭广众之下死于一条会自己飞行的红绸之手……鱼兰青遭遇神秘人，被控制了意识。美艳的波斯巫女几次下手，狄仁杰险些丧命，求助于狄仁杰的土豪痴心汉在提供线索后也被诡异的红绸勒死……一切都指向已被灭亡的遥远国度——波斯，谁是敌，谁是友，难辨真假。为救鱼兰青，狄仁杰向“魔鬼”宣战，而这是不可能完成的任务……

讲述了大理寺卿狄仁杰两次面对法与情，选择放下个人私情，为了天下百姓的安乐，拯救大唐于危难之中的故事。

长安城连发奇案，为救百姓及大唐于危难，狄仁杰受天后之命，与朝中大太监宋义手下柳祎依协同破案，在此过程二人关系也逐渐升温。经过重重困难，狄仁杰最终找到案件的关键线索，源头直指浔亲王及宋义二人。而整个事件的幕后主使是否真是宋义？狄仁杰心中有了答案，他选择埋在心中。

　　大唐长安发生一起凶杀案，大食国使节萨罗，在青楼遇害，现场一片狼藉。　　狄仁杰、洪云奉旨追查，却不料遭到真凶一伙人的埋伏，好友洪云也惨死一个叫天煞的铁勒人之手，而作为贡品，幻涅魔蛾的虫后蛹也被天煞夺取。因办案不利，狄仁杰被武则天革职查办。　　一晃数年，刚刚称帝的武则天一夜之间，身中癫狂奇毒，怀疑有人下毒，于是命金吾卫…

一场百年罕见的蝗灾侵袭了武周大地，武则天下令送赈灾银往灾区，却在途中被劫，数万两白银竟化蝶消失！狄仁杰命其亲随赵员镇奉命彻查此案，自己微服潜入民间调查。在查案的过程中他们遇到了需自证清白的嫌疑人官小柒，又陷入了赈灾银再次被劫的困窘之境。灾民民怨四起，化蝶案扑朔迷离，朝堂权谋暗潮汹涌，狄仁杰是否能查清真相，天下又是否能重…

长安城发生离奇杀人事件，狄仁杰为查找真相，一路跟随踪迹与凶手周旋，甚至被奸人陷害入狱，最终狄仁杰通过缜密的分析抓到了真正的凶手，长安城恢复了往日的宁静。

本片讲述了狄仁杰在一片乱局一种受命调查通天教主奇案，一路上历经艰险，凭借聪明才智破解了真相，救出了被绑架的武则天，并拆穿通天教主的真身，挽留了国家于为难的故事。