У четвертому сезоні "Елементарно" Шерлок Холмс і Джоан Ватсон продовжують свою роботу в якості консультантів Департаменту поліції Нью-Йорка. Сезон починається з наслідків поранення Шерлока, і Джоан намагається допомогти йому одужати. Коли Шерлок одужує, дует береться за нові справи, серед яких вбивство лікаря-репродуктолога, серійний терорист, що націлився на ЗМІ, та справа про вбивство, пов'язане з китайським урядом.
У цьому сезоні також з'являється батько Шерлока, Морланд Холмс, який просить сина про допомогу в розкритті справи про зникнення людини. Спочатку Шерлок вагався, але врешті-решт погоджується працювати з батьком, що призводить до подальших розкриттів їхніх складних стосунків. Партнерство Шерлока і Джоан піддається подальшому випробуванню, коли вони розкривають таємницю про минуле Морланда, яка може поставити під загрозу їхні життя.
Протягом сезону Шерлок і Джоан стикаються з особистими проблемами. Джоан має справу з наслідками розриву з Ендрю, її попереднім хлопцем, і досліджує свої почуття до Шерлока. Шерлок, з іншого боку, бореться зі своєю залежністю і піддається спокусі рецидиву, коли батько пропонує йому доступ до потужного наркотику.
Протягом сезону дует стикається з більш небезпечними і складними справами, що змушує їх покладатися на свої гострі дедуктивні навички і грізне партнерство. У фінальних серіях Шерлока переслідує його минуле, коли з'являється старий ворог, який загрожує зруйнувати все, над чим він працював. На кону - життя Шерлока та Джоан, які повинні пробратися крізь павутиння обману та зради, щоб притягнути винуватця до відповідальності. Чи вдасться їм розкрити цю справу і залишитися неушкодженими?