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La casa vuota, primo episodio della terza stagione, ispirato al racconto L'avventura della casa vuota di Sir Arthur Conan Doyle, è costruito sul ritorno a Londra di Sherlock, creduto ormai morto, e la sua riconciliazione con Watson, che si sta fidanzando con Mary, infermiera dello studio che il dottore ha aperto. I due vengono coinvolti nella risoluzione di un caso a seguito di ripetuti episodi terroristici nella metropolitana. A loro insaputa, qualcuno sta seguendo le loro imprese da vicino.

Ne Il segno dei tre, John e Mary Morstan si sposano. L'episodio si svolge durante il ricevimento di nozze e la storia è raccontata attraverso dei flashback. Sherlock è il testimone di nozze, e intrattiene gli invitati con racconti di alcuni casi recenti affrontati con John e del loro addio al celibato. Alla fine, tutto si collegherà al tentativo di assassinare uno degli ospiti, il maggiore Sholto, ex comandante di John in Afghanistan che aveva perso una compagnia sotto il suo comando e viene da allora perseguitato dai parenti dei defunti. Sherlock individuerà il colpevole tra gli invitati, e alla fine rivelerà ai novelli sposi che Mary è incinta.

Nell'episodio finale (L'ultimo giuramento), Sherlock entra in conflitto con Charles Augustus Magnussen, figura che darà del filo da torcere ad Holmes e fino ad allora mai apparso nella serie, ma solo nominato nel primo episodio. Mary Morstan e Sherlock Holmes riescono, per proprio conto, a irrompere nell'ufficio di Magnussen, dove, però, si sorprendono a vicenda, e Mary spara un colpo a Sherlock. Nel frattempo Holmes scopre che Mary era stata un agente segreto, e comunica la scoperta a Watson. Sherlock e John cercano di far arrestare Magnussen, ma il loro tentativo si rivela fallimentare, e Sherlock uccide Magnussen per interrompere l'azione di ricatto nei confronti di Mary. È l'unica mossa possibile perché Magnussen archivia le sue informazioni direttamente nella sua memoria, usando una tecnica simile al "palazzo mentale" di Sherlock. Mycroft ottiene che Sherlock venga esiliato dal Regno Unito, e non venga sottoposto a processo per omicidio. Quando l'aereo di Sherlock decolla, ogni schermo di Londra trasmette l'immagine di Moriarty, e Sherlock viene richiamato indietro per occuparsi della crisi generatasi dalla diffusione della notizia di un potenziale ritorno della sua nemesi.