《少年神探狄仁杰》从并州少年狄仁杰在深夜书房里发现一只会流泪的铜龟开始，他本想借铜龟镇纸压住考卷，却看见铜龟眼里渗出红色液体，第二天长安贡院就有三名考生离奇失踪，狄仁杰带着书童曾泰进京赶考，途中遇见身手利落的李元芳和古灵精怪的如燕，三人因为一桩客栈投毒案被绑在一起，狄仁杰靠半块碎瓷和一根马毛推断出凶手不是江湖客，而是负责押送考卷的官员，李元芳追到城外破庙，如燕潜入主考官别院，曾泰则在客栈账本里发现失踪考生都住过同一间房，剧中主角有狄仁杰、李元芳、如燕、曾泰、武则天、狄知逊。案件从铜龟流泪升级为科举舞弊与连环谋杀，狄仁杰发现有人利用考生试笔偷换答卷，再把知情人灭口，而幕后主使与十年前狄知逊被贬案有关，武则天在宫中收到密报，她没有立刻插手，只派内侍暗中观察，狄知逊则从并州寄来一封旧信，提醒儿子不要只查眼前凶手，要查谁在利用科举动摇朝堂。狄仁杰没有急着抓人，他先让李元芳假扮富商之子混入考生圈子，让如燕扮作送菜丫头进入主考官府，曾泰负责比对所有落卷笔迹，自己则在一座废弃书坊里找到印刷假答卷的木板，木板背面刻着边关军粮的记号，原来舞弊只是幌子，真正目的是用假考生安插人手，盗取兵部调粮文书。中段最惊险的一场戏发生在曲江夜宴，所有考生登船赴宴，狄仁杰发现船底被凿穿，李元芳跳入水中堵漏，如燕在厨房抓住下毒的小厮，曾泰在船舱找到被绑的真考生，狄仁杰则站在船头，用一盏灯笼打出暗号，让岸上的武则天亲眼看见主考官把假文书交给敌国细作，李元芳从水里跃上甲板，一招制住刺客，如燕把毒酒泼进江里，曾泰念出真考生名单，主考官见势不妙想跳船，却被狄仁杰用铜龟镇纸打中膝盖，武则天当场下旨封锁贡院，狄仁杰没有跪地领功，他只请求重考，让每个寒门学子都有机会。这一刻《少年神探狄仁杰》不再只是少年破案，而是把公道理进每一张考卷。随后狄仁杰又追到边关，发现军粮被换成沙土，狄知逊当年正是因为查这件事被诬陷，李元芳带骑兵截住运粮队，如燕混入敌营偷出账册，曾泰用算学推算出被调包的数量，武则天在朝堂上公开旧案，为狄知逊平反，狄仁杰却没有留在京城，他回到并州开了一间小书院，教孩子们读书也教他们验尸、查账、辨谎，李元芳成为捕头，如燕开了酒馆，曾泰考中进士，武则天偶尔微服来访，狄知逊在院子里种菜，他们都知道少年神探的路还长。后来并州又发生一桩新娘失踪案，狄仁杰从一双绣鞋上的泥点查到渡口，李元芳潜入贼船，如燕扮成新娘引蛇出洞，曾泰在账本里发现人口买卖暗号，武则天派人送来密旨，狄知逊则提醒他小心旧案余党，狄仁杰没有退缩，他联合边关老兵和当地船夫，一夜之间端掉三个窝点，救出所有被拐女子，也把当年陷害父亲的人全部揪出。最后，《少年神探狄仁杰》用铜龟、考卷和曲江夜宴，把少年狄仁杰的第一次大案写成一场关于公平与勇气的试炼，也让人明白神探不是天生会破案，而是愿意在所有人都装睡时，替一个失踪考生点一盏灯。