《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。
任慕妍（唐艺昕 饰）和张瀚宇（陈晓东 饰）彼此相恋，但这份真挚纯洁的感情却敌不过冰冷的现实和张瀚宇高高在上的董事长继承人的身份。最终，任慕妍被迫离开了张瀚宇，出国深造，实际上，慕妍的腹中已经怀上了张瀚宇的骨肉，离开了爱人，慕妍只能独自将孩子生下来，取名为豆豆（张籽沐 饰）。一晃眼多年过去，任慕妍学成归来回到了伤心地，但和离开时不同，此时的她已经变得自信而强大。再见到张瀚宇时，他已经成为了他的青梅竹马范昀（毛林林 饰）的丈夫，虽然心痛，但任慕妍还是选择放下爱恨情仇，将精力放在调查破坏集团经营的主谋身上。
