《父子神探之卧雪图》中，陈天生办案日渐老练，在上海滩的名声甚至隐隐有超过父亲陈亨利之势，这让他不免有些得意。然而，一桩失画案很快让他遭遇挫折。
在一次国画展上，陈天生结识了美丽聪慧的女记者晓蕙。与此同时，一伙盗贼正暗中策划盗取展品。凭借敏锐的观察力，天生识破了一名乔装巡捕的窃贼并将其抓获；关键时刻，晓蕙也发现了伪装成安保人员、企图偷画的同伙。正当众人为抓住窃贼而庆幸时，美术馆长却发现，馆内那幅价值连城、失传已久的王维名作《卧雪图》已经不翼而飞。
审问被捕的盗画贼后，众人发现，真正偷走《卧雪图》的另有其人。陈亨利前往拜访画作主人梁仕友，却察觉梁仕友谈及画作来源时言辞闪烁，似乎有所隐瞒。另一边，陈天生发现梁仕友的儿子梁旭是个沉迷赌场的纨绔子弟，而且在书画即将展出的前几天举止异常，因而对他产生了怀疑。
顺着一名赝品画师提供的线索，天生确认梁旭确实有盗画的企图。可是，陈亨利认为事情远没有表面上那么简单。果然，随着证据逐渐浮现，真正的盗画者并不是梁旭。为了查清真相，陈天生再次对三名偷画贼展开追查。
