1859-ben született Edinburghben, ír szülei jezsuita előkészítő iskolába íratták, de 16 évesen otthagyta az iskolát elvetette kereszténységét. Az Edinburgh-i Egyetemen orvostanhallgató volt, később hajóorvosként szolgált egy nyugat-afrikai partokra tartó úton majd Plymouthban. Két 
beteg között jutott elég ideje történetek írására is, első írása még húsz éves kora előtt megjelent egy ediburghi újságban. Praxisát átköltöztette Southsea-be, itt kezdett mélyebben foglalkozni az irodalommal. Első jelentősebb alkotásához, amelyben feltűnik Sherlock Holmes figurája is, maga Rudyard Kipling is gratulált, és állítólag ráismert arra a személyre, akiről Arthur Conan Doyle a detektívet mintázta. Southsea-ben segített megalapítani a város első labdarúgó klubját, a Porthsmouth AFC-t, egy legenda szerint ő volt a csapat első kapusa.
Az orvosi karrierrel nem hagyott fel, holott szemmel láthatóan nem lelte nagy sikerét benne. 1890-ben Bécsben folytatott szemészeti tanulmányokat, majd Londonban praktizált szemészként – önéletrajzában viszont arról ír, hogy egyetlen páciens sem lépte át a rendelője küszöbét. Így aztán maradt ideje az írásra. Egy évvel később úgy döntött, hogy „megöli” Holmes-t, mert az „nem hagyta fontosabb dolgokon elmélkedni”. A fontosabb dolgok alatt Arthur Conan Doyle a történelmi regényeket értette – s hogy Sherlock Holmes ne álljon a történelmi regények útjában, Az utolsó esetben a vízesésbe lökte főhősét. Az olvasóközönsége felháborodott Holmes halálhírén, ezért egy frappáns megoldással visszahozta hősét A lakatlan ház című novellában. Sherlock Holmes összesen 56 novellában és négy regényben szerepel.
Julian Barnes kortárs angol író az Arthur & George c. regényében Arthur Conan Doyle örökös igazságkereső arcát mutatja be. Barnes regénye egy igaz történetről szól, amely 1906-ben játszódott: George Edaljit, egy félénk, félig brit, félig indiai ügyvédet fenyegető levelek írásának és állatok csonkításának vádjával elítélték, s annak ellenére benn tartották, hogy a csonkítások a lecsukatása után is folytatódtak. Végül Sir Arthur Conan Doyle közbenjárásának köszönhetően szabadult a börtönből. 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. 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.
Doyle nevéhez fűződik még pár érdekesség. Barátságot kötött többek között az amerikai mágussal, Harry Houdinivel, akiről azt hitte, hogy természetfeletti erővel rendelkezik, nézetét a The Edge of the Unknownban fejtette ki. Houdini hiába próbálkozott, képtelen volt meggyőzni Doyle-t arról, hogy az ő mutatványai valójában egyszerű trükkök. Ugyanakkor 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. Állítólag Az elveszett világ is tartalmaz néhány rejtett utalást, miszerint érdekelt volt a hoaxban. A könyvbéli utalásokat Samuel Rosenberg próbálta megmagyarázni 1974-ben.
Sir Arthur Conan Doyle 80 éve, 1930-ban, életének 71. évében halt meg, szívrohamban. Az angliai Hampshire-ben temették el, edinburghi szülőháza közelében szobor őrzi az emlékét.