聚焦真人电影男主Larry Daley的儿子Nick Daley，他不情不愿地也成为了一名博物馆管理员，而《博物馆奇妙夜2》里的卡门拉法老又回来了，想要征服世界。

根据江户川乱步的明智小五郎短篇系列侦探中的短篇作品《D坂杀人事件》和《心理测验》改编，由实相寺昭雄导演的一部日本异色电影。时值1927年，日本金融危机之际，东京市本乡区团子坂旧书店粹古洞的女老板须永时子被人杀死在家中。警局请来了前警官，现新开业的私家侦探明智小五郎协助侦破此案。嫌疑人有两个：粹古洞的员工斋藤勇，案发时盗窃了死者的钱财；赝品画家蕗屋清一郎，曾受死者所托伪造已故画家大江春泥的作品。为验证两人的证言，明智对二人分别做了心理实验，根据结果判断出凶手是蕗屋，并且通过巧妙的盘问迫使蕗屋招供。十五年前，还只有十五岁的蕗屋就协助其父平田东一参与了当时轰动一时的大型古董艺术品诈骗案“壶中庵事件”。被释放后表面上从事着古董艺术品修复，实际上仍然在进行赝品制造的交易。受旧书店粹古洞的女老板须永时子所托，伪造已故画家大江春泥的传奇作品《不知火（しらぬい）》。事成后，时子又委托他在没有原本的情况下创作出春泥的另一未传世作品《明乌（あけがらす）》，并委派女模特花崎真由美协助他。但事情进展不顺，蕗屋无论如何都无法创作出满意的作品，合约期满后，花崎也离开了。苦恼的蕗屋偶然间发现镜中的自己比花崎更适合成为模特，于是穿上女装，照着自己的样子创作出了《明乌》。事后他偶然得知雇主时子正是当年大江春泥的模特“蝶小姐”，因为无法接受她的存在，愤然将其杀害。

东京湾岸区连续发生杀人事件，被害者皆为溺死，警方的调查毫无进展。警官吉冈（役所广司饰）在事发现场找到一枚纽扣，回家后却发现自己的外衣正好掉了一粒同样的扣子。其他的蛛丝马迹也表明与自己有关，他开始怀疑自己就是凶手。为此吉冈苦恼万分，而恋人春江（小西真奈美饰）却表现得十分冷淡。重返凶案现场的吉冈，听到了诡异可怕的声音，并见到一名红衣女子（叶月里绪奈饰）。女子告诉吉冈，15年前，她曾为他所爱并被他亲手杀死。吉冈独自来到精神医生高木（小田切让饰）那里求助，多年的老同事宫地（伊原刚志饰）也开始怀疑吉冈，他徘徊在友情和职责之间难以做出抉择。吉冈的生活渐被击碎，他打开了连接过去和现在的秘密……

广告公司任职的武德辉（刘德华 饰）与同事厉迟（陈百祥 饰）前往大陆公干，顺便走私出土文物。他们无意中发现了一个秘洞，得到了一本武功秘籍，并且救出了冷冻在山洞中的元朝云萝公主（王祖贤 饰）和侍女小蛮（梅小惠 饰），但是也无意中放出了邪派高手天残（元华 饰）。原本就精通多国语言的公主在 现代社会中如鱼得水，而阿辉与阿迟在两个古代女子的帮助下也分别练成如来神掌与七旋斩，成功地完成了屌丝到大侠的逆袭。但正当二人春风得意的时候，天残出现了，誓要抢走云萝公主。一次天残追杀到阿迟家中，幸亏他误把阿迟父亲（曹达华 饰）认成大侠龙剑飞才使云萝公主和小蛮成功逃走，但是阿辉和阿迟却被他抓住。在大陆特异功能人士（刘询 饰）的帮助下，阿辉终于练成了如来神掌的最后一式“万佛朝宗”，战胜了天残拯救了公主的命运。