Geordi La Forge a demandés à voir Data de toute urgence. L'androïde trouve son ami affairé a mettre là touche finale à une maquette de vieux voilier. Il s'agit d'un présent destiné au Capitaine Zimbata, de l'USS Victory, avec qui Geordi a servi alors qu'il était simple Enseigne. Mais c'est pour une autre raison qu'il a appelé Data, Geordi va jouer les Dr Watson auprès de Data alias Sherlock Holmes dans un nouveau scénario du holodeck.
Geordi et Data pénètrent dans le holodeck. Ce programme particulièrement réaliste impressionne fortement Geordi et bientôt, Data et lui interprètent leur rôle avec enthousiasme. L'inspecteur Lestrade ne tarde pas à venir demander l'aide de Sherlock Holmes pour résoudre une affairer : il est accompagné d'un ambassadeur étranger qui prétend avoir été victime de pickpockets, des gitans.
« Holmes » résout immédiatement le mystère, mais Geordi interrompt le programme. Data n'a pas traité les indices, il a simplement mémorisé toutes les nouvelles de sorte qu'il connaît l'issue de l'histoire. Geordi, lui, se réjouissait de la perspective d'avoir à essayer d'élucider un mystère.
Le Dr Pulaski pense que Geordi perd son temps avec Data. Selon elle, l'androïde ne comprendra jamais l'âme humaine comme le faisait Sherlock Holmes, et il est donc inutile d'espérer le voir résoudre une affaire criminelle.
Geordi n'est pas de cet avis, il propose de demander à l'ordinateur de créer un programme « dans le style de Sherlock Homes », plutôt qu'une représentation directe de l'un des récits de Conan Doyle afin que Data ne connaisse pas la solution. Data accepte de relever le gant.
Data, Geordi et Pulaski sont bientôt engagés dans une nouvelle affaire, mais Pulaski n'est toujours pas satisfaite car le scénario intègre des éléments de deux autres récits, ce ne serait donc pas un véritable test. Ils repartent... sous le regard de l'un des holopersonnages : le Professeur Moriarty, l'ennemi juré de Sherlock Holmes.
Geordi programme de nouveau le holodeck en lui demandant cette fois de vraiment mettre Data au défi, de créer un adversaire capable de prendre le meilleur sur lui. Au même moment, Worf enregistre une étrange fluctuation d'énergie, mais celle-ci semble temporaire. Tour redevient rapidement normal.
Dans le holodeck, Moriarty appelle l'arche qui apparaît extraordinairement. Pendant ce temps, « Holmes » et « Watson » entendent un cri : Pulaski vient d'être enlevée. Data tire des déductions à partir des pas, tandis que l'on se lance à la poursuite des ravisseurs, il affirme que ses déductions en sont belle et bien, et non des éléments venant d'une histoire existante.
Data conduit Geordi jusqu'à un vieil entrepôt, et à une pièce secrète ou ils découvrent Moriarty. Celui-ci, qui sait n'avoir pas affaire aux véritables Holmes et Watson, détient Pulaski et n'hésitera pas à lui faire du mal si nécessaire.
Moriarty est perturbé par la situation, il a conscience d'autres réalités aux confins de sa perception, et attend des explications de la part de ses visiteurs. Il appelle l'arche du holodeck pour prouver qu'il a connaissance de son existence. Les protocoles de sécurité du holodeck ont été désactivés.
Geordi et Data quittent le holodeck. Lors d'une réunion des officiers, on conclut que l'ordinateur a fait exactement ce que Geordi lui demandait : il a créé un adversaire à la mesure de Data, mais cela signifie un adversaire doué de sensibilité.
Worf propose d'emmener une équipe de sécurité pour ratisser le holodeck et sauver Pulaski, mais cela risquerait de faire courir de plus graves dangers au médecin. Troi perçoit des émotions émanant du holodeck, émotions qui ne peuvent être engendrées que par les holopersonnages.
Tout à coup l'Enterprise est rudement secoué et le contrôle du vaisseau vient d'être transféré au holodeck 2. Picard décide de se rendre dans le programme avec Data.
Dans le holodeck, Moriarty interroge Pulaski, mais elle refuse de répondre en assurant n'être au courant de rien. A l'arrivée de Picard, de Data et de Worf, le réel et l'illusion commencent à se mêler. On voit les parois du holodeck, et l'on devine que Moriarty essaie de modifier le programme.
Picard fait face au professeur qui provoque une nouvelle secousse de l'Enterprise. Picard explique que lorsque Moriarty aura vaincu Data, le programme sera achevé et il disparaîtra. Data reconnait sa défaite, mais Moriarty veut continuer à exister. Il a compris quelle était sa nature.
Picard assène à Moriarty qu'il n'est pas vivant, et que, s'il sort du holodeck, il cessera d'exister. Moriarty réplique en demandant pourquoi Data peut être considéré comme vivant et non lui puisque comme Data, il a évolué au-delà de sa programmation initiale. Il pense, donc il est. Picard reconnait qu'il ne peut faire ce que demande Moriarty, car il ne sait pas comment convertir la holomatière en une forme plus permanente. Mais Moriarty ne veut pas « mourir » et Picard ne veut pas le « tuer ».
Moriarty appelle l'arche, redonne le contrôle de l'ordinateur central et demande à Picard de partir, son sort est entre les mains du Capitaine. Picard propose de sauvegarder le programme jusqu'à ce que l'on ait trouvé le moyen de faire revenir Moriarty de façon permanente, ce qu'il fera. Les membres d'équipage quittent alors le holodeck.
Plus tard, Picard vient voir Geordi pour admirer sa maquette, qui ne tardera pas à être réparée aprés les dégâts subis lors des attaques de Moriarty. Comme l'équipage, elle aura survécu à l'épreuve en parfait état de marche.
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