A Conan név eredetileg harmadik keresztneve volt, de idős korában már vezetékneve részeként használta.

Arthur Conan Doyle 1859. Május 22-én Edinburgh-ben született, ír szülők gyermekeként. Apja Charlse Altamont Doyle, anyja Mary Doyle. Kilencévesen beíratták a stonyhursti jezsuita előkészítő iskolába, de mire 1875-ben elhagyta azt, elvetette kereszténységét, szabadgondolkodásúvá vált.

1876-tól 1881-ig orvostant tanult az Edinburgh-i Egyetemen, miközben az Aston kisvárosban (ma Birmingham egyik kerülete) dolgozott. Egyetemi tanulmányait folytatva hajóorvosként szolgált a nyugat-afrikai partokra tartó úton, s végül 1882-ben, Plymouthban kezdte meg praxisát. 1885-ben, a Tabes Dorsalisból doktorált. Orvosi praxisa nem volt igazán sikeres, így mialatt a betegeket várta, történetek írására is maradt ideje. Az irodalom már fiatalon is vonzotta: még húsz éves sem volt, amikor első irodalmi alkotása a Chambers's Edinburgh Journal újságban megjelent.

Csak miután praxisát átköltöztette Southsea-be, kezdett el mélyebben foglalkozni az irodalommal. Első jelentős alkotása A bíborvörös dolgozószoba volt, amely az 1887-es Beeton's Christmas Annualben jelent meg, s egyben Sherlock Holmes – akit Doyle egyetemi tanáráról, Joseph Bellről mintázott – is ebben a műben tűnt fel először. Érdekesség, hogy Rudyard Kipling gratulációja közben ezt kérdezte: “Ez nem dr. Joe, az én öreg barátom?” Miközben Southsea-ben élt, segített megalapítani a Portsmouth AFC-t, a város első labdarúgó klubját. Néhány legenda szerint Doyle volt a csapat első kapusa. Valójában ő a csapat amatőr elődjében, négy évvel a profi megalapulása előtt játszott. (Ez utóbbi első kapusa Matt Reilly volt.)

1885-ben elvette Louisa (vagy Louise) Hawkinst, aki tuberkulózisban szenvedett, s 1906-ban meghalt. 1907-ben feleségül vette Jean Leckie-t, akibe még 1897-ben szeretett bele, s azóta plátói kapcsolatot tartottak fenn. Doyle-nak öt gyereke született, kettő az első feleségétől (Mary és Kingsley) és három a másodiktól (Jean, Denis és Adrian).

1890-ben Doyle szemészeti tanulmányokat folytatott Bécsben, majd egy évvel később Londonba költözött, s mint szemész kezdett praktizálni. Önéletrajzában írta, hogy egy darab páciens nem lépett be ajtón. Ettől még több ideje maradt az írásra, s 1891 novemberében ezt írta anyjának: “Erősen gondolkozom Holmes meggyilkolásán… azt hiszem sorsára hagyom. Nem hagy fontosabb dolgokon elmélkedni.” 1893 decemberében így is tett – hogy a “fontosabb” dolgokra (történelmi regényeire) koncentrálhasson –, s legfőbb ellenségével, Moriarty professzorral együtt elveszejtette. Legalábbis nyilván halálukat lelték a vízesésbe ugrásban, ahogy azt Az utolsó esetben olvashatjuk. A tömeges panaszoknak köszönhetően azonban Doyle egy frappáns megoldással visszahozta hősét A lakatlan ház című novellában: valójában csak Moriarty zuhant le, de mivel csapata óhatatlanul megbosszulta volna ezt Holmeson, úgy döntött, inkább hagyja, hogy halottnak higgyék. Sherlock Holmes összesen 56 novellában és négy regényben szerepel (valamint természetesen számtalan, más írók tollából származó történetben is).

A századfodulón, a dél-afrikai búr háborút követően, aminek következtében a világ elutasítóan viszonyult az Egyesült Királyság magatartásához, Doyle írt egy röpiratot The War in South Africa: Its Cause and Conduct (a dél-afrikai háború: oka és lefolyása) címmel, amivel igazolta Nagy-Britannia szerepét a búr háborúban, s amit több nyelvre is lefordítottak.

Doyle úgy hitte, ennek a röpiratnak köszönhető, hogy 1902-ben lovaggá ütötték, majd Surrey főhadnagy-helyettesévé nevezték ki. A témáról 1900-ban hosszabb könyvet is írt, The Great Boer War (a nagy búr háború) címmel. A huszadik század első éveiben Sir Arthur kétszer is jelöltette magát a parlamentbe, mint “Liberal Unionist”, először Edinburgh-ban, majd Border Burghs-ben. Bár számos szavazatot kapott, nem választották meg.

Conan Doyle érdekelt volt az E. D. Morel újságíró és Roger Casement diplomata vezette kampányban is, ami a Kongói Szabad Állam átalakítására törekedett. 1909-ben megírta a The Crime of the Congo című hosszú röpiratát, amiben leleplezte a kongóbeli borzalmakat. Közben megismerkedett Morellel és Casementtel, akikről Az elveszett világ című regénye főszereplői közül kettőt mintázott. Később mindkettejükkel megszakította a kapcsolatot: az inkább baloldali beállítottságú Morellel akkor, amikor az I. világháború során a pacifista mozgalom egyik vezetőjévé vált, Casementtel pedig, amikor a diplomata ír nézetei miatt elárulta az Egyesült Királyságot. Doyle megpróbálta – sikertelenül – megmenteni őt a halálbüntetéstől, azzal érvelve, hogy Casement megőrült, így nem felelős cselekedeteiért.

Doyle az igazság buzgó szószólója volt: személyesen nyomozott két lezárt ügyben, ennek köszönhető, hogy két bebörtönzött ember kiszabadult. Az első esetben (1906-ban) George Edalji, egy félénk, félig brit, félig indiai ügyvéd volt érintett, aki állítólag fenyegető leveleket írt, s állatokat csonkított. Edaljit elítélték, s annak ellenére benn tartották, hogy a csonkítások a lecsukatása után is folytatódtak. Részben ennek az ügynek köszönhető, hogy 1907-ben megalapult a Court of Criminal Appeal, tehát Doyle nem csak George Edaljinek segített, munkája esélyt adott egyéb bírói tévedések jóvátételére is. Conan Doyle és Edalji történetéről szól Julian Barnes 2005-ös Arthur & George című regénye.

A másik, 1908-as eset Oscar Slaterhez, egy játékbarlangot kezelő német zsidóhoz fűződik, akit azért ítéltek el, mert állítólag Glasgowban megvert egy 82 éves nőt. Az ügy ellentmondásossága – és belső megérzése, miszerint Slater ártatlan – felkeltette Doyle érdeklődését. Később ez a férfi is kiszabadult, jórészt az ő erőfeszítéseinek köszönhetően.

Feleségének 1906-os, valamint fia (Kingsley), testvére, két sógora és két unokaöccse I. világháború-beli halála miatt Doyle depresszióba esett. Vigaszt a spiritualizmusban, s a túlvilág létezésének állítólagos tudományos bizonyításában talált. Olyannyira érdekelni kezdte a téma, hogy The Land of Mist (a köd földje) címmel írt regényt Challenger professzorról. Életének ezen szakaszából alighanem a The Coming of the Fairies (1921, a tündérek érkezése) rendelkezik a lefurcsább szemlélettel: Tökéletesen meg volt győződve arról, hogy a cottingley-i tündéreket mutató fényképek – amiket könyvében felidéz – valódiak, s a természetről, valamint tündérekről és szellemekről szóló elméletekkel állt elő. Ezen irányú munkája volt az egyik indok arra, hogy a Szovjetunióban a Sherlock Holmes kalandjai című novelláskötetét okkultizmus miatt először nem engedték megjelenni.

Doyle az amerikai mágussal, Harry Houdinivel is barátkozott, aki kitűnő ellenfél volt a spiritualista mozgalomban. Bár Houdini azt bizonygatta, hogy a spiritualisták trükköket alkalmaznak (és következetesen csalónak állította őket), Doyle azt hitte, barátja maga is természetfeletti erővel rendelkezik, amely nézetét a The Edge of the Unknownban (az ismeretlen pereme) ki is fejtette. Houdini képtelen volt meggyőzni Doyle-t arról, hogy az ő mutatványai valójában egyszerű trükkök, ami barátságuk keserű, nyilvános megszakadásához vezetett.

Richard Milner amerikai tudománytörténész szerint elképzelhető, hogy Doyle műve volt a piltdowni ember néven hírhedtté vált 1912-es átverés, egy hamisított ősemberlelet, ami negyven évig járatta a bolondját a tudományos világgal. Milner azt állítja, Doyle-nak volt erre motivációja, mégpedig bosszút állni a tudományon, amiért leszólta egyik kedvenc médiumát. Ezen kívül Az elveszett világ is tartalmaz néhány rejtett utalást, miszerint érdekelt volt a hoaxban. Samuel Rosenberg 1974-es könyve, a Naked is the Best Disguise (a meztelenség a legjobb álruha) megpróbálja megmagyarázni, hogyan hagyott Doyle apró utalásokat írásaiban, amikből gondolkodásmódjának rejtett, elfojtott tulajdonságaira jöhetünk rá.

Sir Arthur Conan Doyle 1930-ban, életének 71. évében halt meg, szívrohamban. A New Forestben található mindsteadi temetőben temették el, az angliai Hampshire-ben. Szobrot emeltek róla Crowborough-ban – ahol 23 évig élt –, valamint Edinburgh-ban is, közel a szülőházához.

Amíg Conan Doyle Angliában élt, személyi sofőrje az ismert párizsi rabló, Jules Bonnot volt.