祈福儀式上空突現巨型飛頭異象，引發洛陽城內民眾恐慌。狄仁杰與赫連休屠奉旨聯合調查此案，二人循線追蹤至終年迷霧籠罩的北冥幽都。在深入調查過程中，探案團隊遭遇神秘勢力伏擊，幸得狄仁杰機敏識破機關方才脫險。返回洛陽后異象再起，城中接連出現離奇命案與詭異天象。狄仁杰通過殘留飛頭磷粉的化驗分析，結合北冥幽都發現的人骨祭壇線索，最終鎖定幕后黑手為妄圖借"飛頭羅剎"邪術篡奪皇權的宗室貴胄。真相揭露之際，狄仁杰以特制磁石陣破除所謂"飛頭術士"的操控裝置，使偽裝成天象異變的陰謀大白于天下。