Nació en Edimburgo en 1859, en una familia católica de origen irlandés. Su padre era un funcionario alcohólico y epiléptico, pero pertenecía a una familia rica e influyente de artistas. Arthur fue educado en un internado jesuita inglés y estudió Medicina en Edimburgo, donde se licenció en 1885. Trabajó en un hospital de su ciudad, fue médico a bordo de un ballenero y, a la vuelta, abrió consulta en Southsea, sin mucho éxito.

En 1879 había publicado su primer relato, The Mystery of the Sasassa Valley, pero no sería hasta 1887 cuando crearía al personaje que habría de hacerle célebre, el detective Sherlock Holmes, en Un estudio en escarlata. Con El signo de los cuatro (1890) y La compañía blanca (1891) pudo abandonar el ejercicio de la medicina y dedicarse a escribir. Las aventuras de Sherlock Holmes (1892) y Las memorias de Sherlock Holmes (1894) fueron un gran éxito, pero el detective no reaparecería en su obra hasta El perro de los Baskerville (1891) y, por la generosa oferta de una revista neoyorquina, en El regreso de Sherlock Holmes (1903). En 1900 había combatido en la guerra de los bóers y en 1902 publicó The War in South Africa: Its Causes and Conduct, por el que fue condecorado. El mundo perdido (1912) y El valle del terror (1915) se cuentan entre sus últimas obras de ficción. La magia y el espiritismo (sobre el que escribió varios libros) fueron sus intereses de esa última época. Murió en 1930 en Crowborough, Hampshire.