Narodil se ve skotském Edinburghu jako druhé dítě irských emigrantů Charlese Doylea a Mary Foley, v devíti letech byl poslán do jezuity vedené školy ve Stonyhurstu. V letech 1876–1881 studoval medicínu na universitě v Edinburghu, bakalářem se stal v roce 1881, doktorát obhájil roku 1885. V roce 1882 provozoval lékařskou praxi v Plymouthu v ordinaci svého spolužáka, později založil ordinaci vlastní. Nakonec ale lékařskou dráhu zcela opustil a věnoval se psaní.
S literární tvorbou začal již za univerzitních studií, první povídky publikoval anonymně. V době čekání na pacienty při praxi v Plymouthu si krátil dlouhou chvíli psaním povídek. Po vzoru W. Scotta vydal roku 1888 svůj první historický román Micah Clarke, který však čtenáře nezaujal a dnes je téměř neznámý. Přetrval však jeho nesmrtelný Sherlock Holmes, prototyp soukromého detektiva, ryze racionálního a logicky uvažujícího řešitele všech možných záhad. Celkem o něm od roku 1887, kdy vyšla první holmesovská novela Studie v šarlatové, napsal ještě tři další novely a celkem 56 povídek. První povídka nese název Skandál v Čechách (1891), poslední z nich vyšly až v roce 1927. Patrně nejznámějším, čtenářsky nejoblíbenějším a také nejčastěji filmově zpracovávaným příběhem je Pes baskervillský (původně vycházel od srpna 1901 do dubna 1902 na pokračování v The Strand Magazine, knižně v březnu 1902). Unaven obrovským úspěchem holmesovských příběhů, které ho dle jeho mínění odváděly od vážnějších námětů, rozhodl se Holmese zbavit (příběh Poslední případ, 1893). Nakonec ale rezignoval a pod náporem čtenářů a ovlivněním finančními nabídkami Holmese opět vzkřísil a v psaní jeho příběhů pokračoval (další novelou a 44 povídkami). Postava Sherlocka Holmese pak zcela zastínila další Doylovo dílo, i když jsou známy i další postavy (např. profesor Challenger ze Ztraceného světa a Země mlhy nebo brigadýr Gerard).
V roce 1882 se Doyle odklonil od katolické víry a postupem času se stále více věnoval spiritismu, ve 20. letech 20. století také prostřednictvím přednášek doma i v cizině. Napsal o něm řadu povídek, románů a sepsal jeho historii (The History of Spiritualism, 1926).
Celý Doyleův život byl naplněn občanskou aktivitou, smyslem pro spravedlnost a fair play. Za Búrské války (v letech 1899–1902) působil v roce 1900 v Jižní Africe jako lékař ošetřující britské vojáky. Po návratu napsal dějiny Búrské války a v The War in South Africa: Its Causes and Conduct roku 1902 obhajoval britské stanovisko v této válce, což přispělo ke zmírnění protibritských postojů ve světě. Dne 24. 10. 1902 byl za své služby britské koruně povýšen do rytířského stavu. Po vzoru Sherlocka Holmese se sám úspěšně angažoval i ve dvou případech (George Edaljiho a později Oskara Slatera) nespravedlivě odsouzených, kdy prokázal jejich nevinu. Varoval před hrůzami letecké a ponorkové války, horlivě propagoval stavbu tunelu pod Lamanšským kanálem, z jeho popudu byly do britské armády zavedeny ocelové přilby.
Doyle byl po celý život aktivním sportovcem – již za školních let se věnoval kriketu, hokeji, plavání a boxu, hrál fotbal i golf, bruslil a lyžoval. Svým úctyhodným sportovním výkonem na lyžích v březnu roku 1894 při cestě z Davosu do městečka Arosa přes sedlo Furka Pass (2 431 m n.m.) přispěl k propagaci lyžování.