《神探狄仁杰3》共48集，由《凉州案-黑衣社》与《邗沟案-漕渠魅影》两大单元构成。
《凉州案-黑衣社》剧情：武周年间，狄仁杰获准回并州休养，途中绕道凉州探望门生曾泰。此时凉州突发地震，曾泰组织防灾时，发现押运五百万两饷银的三千铁甲军全员中邪狂舞而死，饷银不翼而飞。狄仁杰赶至后，指出此案与神秘组织“黑衣社”有关。黑衣社以“地狱行动”为名，企图通过毒药控制军民，制造混乱。狄仁杰抽丝剥茧，从黑衣社的起源、作案手法到势力分布逐一剖析，最终在凉州卫铁骑配合下，将黑衣逆党一网打尽。黑衣天王自裁前，狄仁杰还揭露了其先祖的情感隐秘，为案件画上句号。
《邗沟案-漕渠魅影》剧情：邗沟一年内十五次运盐官船覆没，数百人丧生，盐荒蔓延。武则天急召狄仁杰彻查，狄公携李元芳、曾泰赴扬州。调查发现，此案系铁手团勾结官府、绿林策划的阴谋：先派杀手凿翻盐船，水鬼盗捞官盐，再通过漕运使杨九成伪造文书转运私盐；扬州刺史崔亮、长史吴文登则威逼地方官阻挠官盐入淮，制造盐荒后高价售盐牟利。狄仁杰组织卧虎庄会战，微服赴约时遭铁手团围攻，最终李元芳斩杀宗主，林阳落网。武则天赞狄仁杰“旬月告功”，淮北盐荒得解，狄公凝望河面，感慨万千。
全剧以悬疑推理为主线，融合动作与权谋，展现了狄仁杰的智慧与正义。
