Действие фильма происходит в конце XIX века в альтернативном Петербурге, где наука развита сильнее, чем в реальности, но в рамках технологий того времени.
В эпоху геополитического противостояния Российской и Британской империй за влияние в Центральной Азии в самом сердце Санкт‑Петербурга действует британский разведчик. Во дворце императора обнаруживают необычайное устройство – механическую блоху, воплотившую последние достижения инженерной мысли и предназначенную для тайного сбора сведений.
Расследование этого загадочного происшествия поручают Петру Огареву – молодому офицеру тайной полиции, чьё честолюбие подстёгивается стремлением заслужить благосклонность императора Александра III. В поисках разгадки Огарев находит союзника в лице Николая Сурина, прозванного «Левшой», – одаренного, но всеми забытого тульского изобретателя‑самоучки. Левша переживает личный кризис: после смерти жены он начал злоупотреблять алкоголем, лишился родительских прав и потерял левую руку, которую заменил протезом. Однако его изобретения по-прежнему опережают время. Огарев обещает помочь Левше вернуть детей, если тот присоединится к расследованию.
Герои объединяют усилия, чтобы обезвредить шпиона и защитить империю от внутренних и внешних угроз. Разработав детальный план, герои почти ловят британского шпиона, однако в последний момент тот ускользает. Последствия погони оказываются разрушительными: из‑за причиненного ущерба Петр и Левша отстраняются от службы.
Но это не останавливает их. Расследуя дело дальше, они выясняют, что за ними все это время следил человек министра финансов Ноздрина. Решив проникнуть в его дом и вскрыть сейф, герои надеются найти доказательства шпионской деятельности. Однако выясняется, что Ноздрин – всего лишь казнокрад, а не агент иностранной разведки.
Министр, заранее знавший о готовящемся проникновении, ловит Огарева и Левшу с поличным. Героям удается сбежать, но на этот раз последствия оказываются куда серьезнее – они окончательно попадают в опалу.
Напарники выясняют, что на Александра готовится покушение – его планируют совершить во время запуска первой электростанции. Несмотря на то, что полиция города ведет их активный розыск, героям удается предотвратить убийство государя и задержать шпиона. Однако главный предатель оказывается куда ближе, чем они могли предположить: им оказывается дядя Огарева – начальник департамента полиции. В ходе финальной схватки Петр и Левша одолевают его и срывают планы по разрушению Российской империи.
