Arthur Conan Doyle 22 Mayıs 1859'da, Edinburgh, İskoçya'da doğmuştur. Babası bir İngiliz olan Charles Altamont Doyle, annesi ise İrlandalı Mary Foley'di. Soyadı "Conan Doyle" ise de, bu bileşik soyadının kökeni bilinmemektedir. Kaynaklardan biri, Arthur ve ablası Annette'in bileşik soyadlarını büyük amcaları olan usta gazeteci Michael Conan'dan aldığını yazmaktadır. Aynı kaynak 1885 yılında, evinin dışarısındaki pirinç levhada ve doktora tezindeki imzada adının "A. Conan Doyle" olarak geçtiğini belirtmektedir. Fakat 1901 Nüfus Kaydı gibi diğer kaynaklar Conan Doyle'un soyadının "Doyle" olduğunu, ve ancak yıllar sonra "Conan Doyle" olarak kullandığını yazmaktadır. Conan Doyle'un babası da kardeşleri (içlerinden bir tanesi illüstratör Richard Doyle'du) ve babası gibi bir ressamdı. Conan Doyle, dokuz yaşındayken St Mary's Hall Katolik Cizvit Stonyhurst hazırlık okuluna gönderildi. Daha sonra Stonyhurst Koleji'nde öğrenimine devam etti, fakat Hıristiyanlığı reddederek 1875 yılında bir agnostik olacaktı.
1876'dan 1881'e kadar Edinburgh Üniversitesi'nde tıp öğrenimi gördü, bu eğitimin bir kısmında şimdi Birmingham'ın bir parçası olan Aston şehrinde çalıştı. Öğrenimine devam etmekteyken kısa hikâyeler yazmaya başladı; 20 yaşından önce Chambers's Edinburgh Journal isimli dergide ilk hikâyesi yayımlandı. Üniversitedeki yıllarının ardından Batı Afrika sahillerine gemi hekimi olarak yolculuk etti, arkasından 1882 yılında Plymouth kentinde kendi muayenehanesini açtı. Doktorasını 1885 yılında "Tabes Dorsalis" üzerine yaptı.
1882'de Portsmouth'ta hekimliğe başladı. Mesleğinde ilk başlarda çok başarılı sayılmazdı; odasında hasta beklerken tekrar hikâyeler yazmaya başladı. İlk önemli eseri, 1887 yılında "Beeton's Christmas Annual"da basılmış olan "Kızıl Dosya" isimli hikâyeydi. Bu hikâye Sherlock Holmes'un ilk kez göründüğü hikâye olma özelliğini taşımaktadır ve karakter kısmen üniversitedeki profesörlerinden bir tanesi olan Joseph Bell'e benzemektedir. Sherlock Holmes'un göründüğü diğer hikâyeler Strand isimli dergide basılacaktı. Garip bir şekilde, İngiliz yazar Rudyard Kipling de başarılarından ötürü Conan Doyle'u kutladı ve "Acaba bu karakter arkadaşım Joe olabilir mi?" diye sordu. Joseph Bell'e olan benzerlik gözünden kaçmamıştı. Fakat Sherlock Holmes için, Bell'den çok, Edgar Allan Poe'nun karakteri C. Auguste Dupin'i model almıştı. Southsea şehrinde ikamet etmekteyken Portsmouth Futbol Kulübü adlı amatör bir futbol takımı için top koşturdu.
1885 yılında Louisa (veya Louise) Hawkins ile evlendi. "Touie" diye hitap ettiği Louisa vereme yakalandı ve 4 Temmuz 1906'da vefat etti. 1907'de, 1897 yılında tanışıp aşık olduğu fakat eşine olan sadakatinden dolayı hislerini açılamadığı Jean Leckie ile evlendi. Conan Doyle'un ikisi ilk eşinden, üçü ikinci eşinden toplam beş çocuğu oldu.
1890 yılında Conan Doyle Viyana'da göz üzerine araştırmalar yaptı; 1891'de optalmolog olarak Londra'da bir muayenehane açtı. Otobiyografisinde tek bir hastanın bile kapısına gelmediğini yazacaktı. Bu onun yazarlığa daha fazla zaman ayırmasına fırsat verdi; Kasım 1891'de annesine, "Holmes'u öldürmeyi düşünüyorum... hikâye bitsin gitsin istiyorum. Aklımı daha iyi şeylerden çeliyo," diye yazacaktı. Annesi şöyle yazdı: "Sana nasıl uyuyorsa öyle yap, ama insanlar bunu pek hoş karşılamayacaktır." 1893'de, daha "önemli" eserlere (örneğin tarihi romanlarını yazmak için) öncelik vermek için böyle yaptı.
"Son Sorun" isimli hikâyede Holmes ve ezeli düşmanı Profesör Moriarty bir şelaleden birlikte düşerek ölüyorlardı. Karakterin ölmesine isyan eden okurları dinleyerek Sherlock'u tekrar hayata döndürdü; Holmes, "Boş Ev Macerası" isimli hikâyede geri dönüyordu, verilen açıklama ise sadece Moriarty'nin düştüğü, ama Holmes'un diğer tehlikeli düşmanları da olduğundan kendisini de ölmüş gibi gösterdiğiydi. Holmes toplamda 56 kısa hikâye ve 4 Conan Doyle romanında yer almaktadır (bu süreden sonra pek çok kez diğer yazarların hikâye ve kitaplarında da gözükmüştür). Güney Afrika'daki İkinci Boer Savaşı'nı takiben 20. yüzyılın başlarında, Birleşik Krallık'ın bölgede olan idaresine olan eleştirilere cevaben Conan Doyle, Krallık'ın Boer Savaşı'ndaki rolünü haklı çıkartan kısa bir kitapçık yazdı ve yayınladı. "The War in South Africa: Its Cause and Conduct (Güney Afrika'daki Savaş: Nedeni ve İdaresi)" isimli bu kitapçık pek çok dile çevrilecekti.
Conan Doyle, 1902 yılında şövalye ve Surrey'nin "Deputy Lieutenant" (Teğmen Vekili) olarak ilan edilmesinin nedeninin bu kitapçık olduğunu düşünmekteydi. 1900 yılında daha uzun bir kitap olan "Büyük Boer Savaşı" isimli kitabı da yazmıştı. 20. yüzyılın başlarında Sir Arthur Parlamento'ya iki kez aday oldu, dikkate değer oylar almış olsa da ikisinde de seçilemedi.
Conan Doyle, başını gazeteci E. D. More ve diplomat Roger Casement'ın çektiği Kongo'nun Özgürleştirilmesi Kampanyası'na destek veriyordu. 1909 yılında Kongo'daki dehşeti yerden yere vurduğu "Kongo'daki Suç" adlı uzun bir kitapçık yazdı. Morel ve Casement ile arkadaş oldu, 1912 yılındaki "Kayıp Dünya" isimli kitabındaki baş karakterlerden ikisi için onlardan ilham alacaktı.
İkisiyle de arkadaşlık bağları daha sonra koptu: Sol görüşleri olan Morel I. Dünya Savaşı sırasında pasifist hareketin liderlerinden biriydi; Casement ise İrlanda milliyetçiliğinden dolayı hapishanedeyken İngiltere'ye ihanet etmişti. Conan Doyle, Casement'ın delirmiş olduğunu söyleyerek onu ölüm cezasından kurtarmaya çalıştı, fakat başarısız oldu.
Conan Doyle adaletin yılmaz bir savunucusuydu, iki davayı şahsen inceledi ve araştırdı. Sayesinde bu iki davada mahkum edilmiş iki kişi salındı. İlk davanın sanığı 1906'da iddiaya göre tehdit dolu mektuplar yazan ve hayvanlara işkence yaptığı söylenen yarı-İngiliz, yarı-Hintli George Edalji isimli bir avukattı. Polis Edalji'yi hapse tıktı, halbuki hayvanların gördüğü işkence şüphelinin hapse girmesinden sonra da devam etmişti.
Temyiz Mahkemesi'nde bu davadan çıkan karar 1907'de yürürlüğe girdiğinde Conan Doyle sadece George Edalji'ye yardım etmiş olmuyordu, çalışmaları adaletin başarısız olduğu diğer noktaları düzeltmekte de büyük rol oynadı. Julian Barnes'ın 2005'te yaz