《不朽的樱花》讲述的是县警宣传课的主人公独自调查好友离奇死亡事件的谜团，揭开事件真相和逐渐浮出水面的“公安警察”的故事。住在爱知县平井市的女大学生，在多次被跟踪狂骚扰后，被神社的长子杀害。根据当地报纸的独家报道，警察拖延受理女大学生的报案，在此期间去旅行慰劳。县警宣传广听课的职员森口泉怀疑报社记者津村千佳毁约报道，但想证明自己清白的千佳却在一周后被发现横尸。自责和后悔的念头驱使着泉，发誓要亲手抓住杀死千佳的凶手。
昭和五十五年的一桩密室谋杀案，由于上司急于升迁，所以最终草草结案，惟有警探笹垣润三（船越英一郎 饰）对此案不能释怀。多年后，当年嫌犯的女儿西本雪穗已改名唐泽雪穗（堀北真希 饰），并且过着与之前毫不相干的生活。但是，仿佛她有幸运之神的庇护一样，凡是给她制造麻烦的人，都会发生意外。后来，雪穗的好友江利子（绿友利惠 饰）与有钱人家的少爷篠冢一成（姜畅雄 饰）相恋，但最终一成却选择了与雪穗结婚。此时，笹垣虽已退休，但他始终没有放弃追杀当年谋杀案的真相，而且，他的目标最终锁定了当年被害人的儿子桐原亮司（高良健吾 饰）和雪穗……
电影描绘了电视剧版发生的故事之后，两人再次相遇，再一次作为搭档开始接受工作委托后的最初的案件。福尔摩斯研究家和福尔摩斯粉丝称为“夏洛克·福尔摩斯”系列史上最高杰作的长篇杰作《巴斯卡维尔的猎犬》的故事作为原案。
