公元690年，经过八年苦心经营，武则天（刘嘉玲饰）即将正式登基，成为
中国历史上第一位女皇帝。当时的中国，是世界上幅员最大人口最多的国家。仅仅唐朝神都洛阳一地，人口就将近百万。疆域西达葱岭，北达蒙古，南至越南。随着高达六十六丈，象征至高皇权的"通天浮屠"渐近完工，武则天的登基大典也已就绪。世人皆知"浮屠落成之日，女皇登基之时"。不料，匪夷所思的命案竟接连在神都洛阳发生。死者无故自燃，都在胸腹间起火，延及全身，宛若炮烙般被烧成灰烬，未烧尽的部分也焦黑如残枝废炭。更让武则天心惊的是，受害者几乎都是她亲政之后提拔的亲信。显然，凶手是在挑战她的权威。武则天深知只有找出凶手，才能安定人心，自己登基后的地位才能稳固。武则天急于揪出凶手，但她的敌人实在太多，多到难辨敌我。就在此时，武后收到法力高强且多年来与她关系密切的国师陆离的讯息，说起如今妖人逆行犯案，皆因太白星离宫八年，身陷囹圄，尚未归位，武则天很快想起素有文武具备通天神探美誉的狄仁杰（刘德华饰）：当年，因为皇帝年幼、她决定垂帘听政，第一个跳出来反对的大臣便是狄仁杰。狄仁杰因此获罪，被囚禁到焚字库服刑，一晃就是八年。武则天下令，要自幼入宫与她亲若母女的贴身女官上官静儿（李冰冰饰）将狄仁杰尽速召回（如果他还活着的话）。狄仁杰还活着。不仅活着，经过八年磨难，他从一个意气风发、锋芒外露的办案高手，变成一个沉稳内敛，处变不惊的男人。他终日在焚字库里面对熊熊大火，焚烧着过期的奏折。面对上官静儿，狄仁杰似乎早已作好准备。狄仁杰被召回神都洛阳晋见武则天，两人相对，感慨颇多：一个是当年桀傲不逊、几乎动摇自己权位的男子；一个是高高在上，让自己过了八年生不如死日子的女人。望着满面沧桑的狄仁杰
，武则天特命他为钦差，协同大理寺彻查洛阳发生的焚尸案。也许此刻，只有全无官场包袱且智勇双全的狄仁杰，才能深入这诡谲阴谋的核心。情势所逼，狄仁杰接下了这个任务。专门办案的大理寺少卿裴东来（邓超饰），阴错阳差成了狄的手下。加上狄仁杰原来入狱之前的老朋友、现任「通天浮屠总监修」的沙陀（梁家辉饰），三人联手，全力查案追凶。最终，狄仁杰凭借非凡的毅力、勇气和智慧，理清了重重案情，发现沙陀才是幕后黑手，经过一番激斗将罪大恶极的凶手绳之以法。而他自己，也为此付出了巨大的代价
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总监制陈国富在影片准备工作中将“狄仁杰”所有中外故事版本都了解透彻，对
陈国富
“狄仁杰”这个人物做出“007加李白”的合体设计，用“分身术”深解“狄仁杰”，“‘狄’字是侠骨柔情，‘仁’是中国人最强调的一种情操，所以他的兵器是不开刃的，代表他的仁术，‘杰’在繁体字里的右半边是‘桀骜不驯’的‘桀’，代表着反叛的精神”。陈国富心目中的这部电影，必须要有“大无畏的勇气和坚贞的信念”，推理与抒情兼具，他认为能满足这种要求的导演，仅有徐克，只有他能拍出那种想象空间、那种情怀，于是陈国富第一时间找到徐克，简单数语“我们拍这个吧”，一文一武的合作就此拉启帷幕
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在创作剧本的过程中，陈国富找到了配合多年的搭档张家鲁，《狄仁杰之通天帝国》是折磨他们最长时间的一个作品，一般一个编剧的项目快则三四个月，慢则一两年最多了，但《狄仁杰之通天帝国》这个剧本历经10年。即使在电影拍摄的过程中，剧本还在不断的修改，张家鲁只能长期住在拍摄地横店。其中张家鲁为《狄仁杰之通天帝国》贡献了奇异诡谲的鬼市概念，而徐克则为还原大唐盛世提出要建造虚幻的通天浮屠
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五位主演在片中造型高达40多款，全片制作了近五千套服装。影片造型指导余家安除了参考敦煌壁画之外，造型与化妆甚至借鉴世界顶级造型师约翰·加利亚诺（John Galliano）、亚历山大·麦昆（Alexander McQueen）在时装T台上的化妆技巧，希望让观众在片中看到“史上最潮的唐朝”
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演员造型中最引人注目的是武则天在练兵场的女皇造型。片中狄仁杰第一次觐见武则天时，她正在检阅当年武状元科举考试，为了突出一代女皇的威风凛凛，片中场景及化妆服装都极尽奢华之能事。影片造型指导余家安介绍，自己刻意让刘嘉玲的发型高耸，并在她的服装加了很多层次，这一整套造型有四层衣服搭配，每层服装都是四层材质和刺绣，以突出武则天的威武气势。这款造型的化妆则是参考唐朝画像和敦煌壁画，甚至也从设计师约翰·加利亚诺、亚历山大·麦昆在时装T台上的化妆技巧获得灵感，经过改良之后创造出这个既“潮”又“威”的造型
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香港金像奖最佳造型设计得主余家安，是《狄仁杰之通天帝国》的造型指导，徐克导演希望通过这套练兵场的造型，呈现武则天的威，要做得很巨大，很威武的感觉，但衣服又不能太厚。最后他只用给她加上四层衣服，而每层都另加四层材质，让衣服有一种厚重感。最后做出来的效果很好，但加上各种装饰品和刺绣，这件衣服很重，每次都得要一个人专门一个袋子搬到现场。影片中每套武则天的服装都有非常精美的刺绣，需要工匠进行四到五个工作周才能手工完成，有些布料和材质都是来自黄宝荣工作室的珍藏，甚至有些稀有的布料是无价之宝，每套单纯造价就近百万人民币
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武则天的头饰也花了很多心思，由于这次要做出她“威”的感觉，头发刻意梳得很高，很庞大。外头尽量使用真发，而形状出来的部分就用皮影戏的轻巧材料做出头饰骨架，再镀上金箔，虽然已经尽量找轻的材质了，但是放在头上已经很重，更别提那些头饰
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徐克与余家安在化妆造型上耗费了一整年时间进行筹划和制作。剧组动用了大量皮革和刺绣工艺，遍寻名贵面料，结合镀金、皮影戏工匠等各种传统工艺才完成戏中各种角色的服装需求。为了支援如此庞大的制作规模，剧组除了在北京设有工厂进行制作，还在横店片场旁边单独开设一个工作坊，从两地日夜赶工做出符合徐克导演想象的唐朝服饰。造型指导余家安透露，片中有些布料和刺绣甚至是无价之宝，无法简单估算全片造型的总体价值
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《狄仁杰之通天帝国》在特效上的投入之庞大和精细，是华语电影前所未有的。为达到更好的效果，华谊兄弟不惜成本，特别为此追加2000万的投资，而导演徐克也身在韩国紧锣密鼓地督阵特效制作，影片所在的世界是真实的世界，但这些真实的世界有魔幻的氛围，这也契合了他把“古典风神与现代人文熔于一炉”的创作风格。而这些500个特效画面在韩国公司投入了所有特效人员，180多天不分昼夜的奋战下，影片“每30秒一个特效镜头”才得以完美实现
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这部影片中包含着由1000多张设计图打造出的“十大场景”，剪辑人员用草图+实景图+电影画面相辅的方式将几处主要场景率先呈现给观众，不仅可看出在大唐盛世上的瑰丽想象，还能感受到创作人员将创意还原现实的精确程度和付出的心血。在这些场景中，最难实现的要数女皇权力象征“通天浮屠”和悖论之地“地下鬼市”了，其中，为从无到有打造“360度”的通天浮屠，剧组则整整用了10个月的时间；而为寻找适合的地方作为“鬼市”，剧组历尽千辛寻找了到一处溶洞，进行精心搭建并用整整2000吨的水灌注而成。另外，为实现宏大场景的真实性，影片前后动用6000多人次群众演员
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