緋色の研究
第1部
第1部はワトソンの回想の形で始まる。
医学博士ジョン・H・ワトソンはイギリス軍の軍医としてアフガニスタンの戦場に赴くが、左肩に重傷を負い（後の作品では部位が脚に変わっていて、ホームズシリーズの謎の一つ）、イギリスに送還された。為す事もなく過ごしていると、かつて助手をしていた男からシャーロック・ホームズという特異な人物を紹介され、ベーカー街221Bで共同生活を開始する。初対面にもかかわらず、ワトソンが負傷してアフガニスタンから帰ってきたことや、見知らぬ男の前歴を言い当てたホームズの観察力と推理力は、ワトスンを驚かせる（岩波少年文庫版「冒険」に記されている「ホームズからの挨拶―初めてホームズの物語を読む人のために―」にも述べられている）。
共同生活を始めて間もなく、ホームズの元にスコットランド・ヤードのグレグスン刑事から殺人事件が発生したとの手紙が届き、ホームズはワトスンを連れて現場に向かう。グレグスンとレストレード刑事は難事件にお手上げの様子である。殺されていたのは立派な服装の中年男で、イーノック・ドレッバーの名刺を持っており、壁には RACHE （ラッヘ：ドイツ語で復讐の意）と血で書かれた文字があって、女の結婚指輪が落ちていた。
ホームズは綿密な現場検証をして、被害者が毒殺されたことや犯人の人相・特徴を推理し、第一発見者の巡査に事情聴取をしたりと、次々に捜査を進めた上、新聞に結婚指輪の拾得記事を出す。指輪を使って犯人をおびき出そうというのだ。予想通り指輪の受取人が来るが、ホームズが推理した赤ら顔の大男ではなく、老婆であった。しかもその老婆を尾行したホームズは見事に巻かれてしまう。
一方グレグスンは、ついに犯人を逮捕したと得意満面であった。彼が捕らえたのは、ドレッバーが秘書のスタンガスンと共に下宿していた家の女主人の息子である海軍将校だった。事件前日、ドレッバーがそこを引き払う際にその家の娘を無理やり連れ出そうとし、兄であった海軍将校に叩き出された事実があったのだ。それが犯行の動機だとグレグスンはホームズに言うが、続いてやって来たレストレイドが、秘書のスタンガスンが宿泊先のホテルで刺殺死体で発見されたと伝える。
ホームズは、準備万端整えた上で辻馬車を呼ぶ。何事かといぶかしむワトスン、グレグスン、レストレイドの前で、ホームズは入ってきた馭者にあっという間に手錠をかけ、目を輝かせてこう叫んだ。「諸君! イーノック・ドレッバーおよびジョゼフ・スタンガスン殺害の犯人、ジェファースン・ホープ氏を紹介しましょう!」と。
第2部
第2部は、一転してこの事件の裏に潜む過去の深い因縁が語られる。
北アメリカ内陸部の砂漠。ジョン・フェリアと孤児のルーシーは迷って死に掛けたところを、ブリガム・ヤングに率いられた移動中のモルモン教徒（末日聖徒イエス・キリスト教会の信者）の集団・モルモン開拓者に救われる。彼らはソルトレイクシティ（末日聖徒イエス・キリスト教会本部）を建設し、ジョン・フェリアは郊外で一生懸命働き、やがて屈指の富豪になった。また彼はルーシーを養女にして実の娘のようにかわいがった。成長したルーシーは、並ぶ者の無い美しい少女となったのである。
ある日ルーシーは、旅の青年ジェファースン・ホープと出会い、彼の実直さと強さに引かれた。ホープも彼女に好意を持った。父ジョンは2人の結婚を認めた。ところが、一時ホープが町を去った時、モルモン教の指導者ブリガム・ヤングはルーシーに青年ドレッバーかスタンガスンとの結婚を命令した。指導者に背けば命は無い。ジョンは町からの脱走を決意し、ホープを呼び戻す。土地勘のあるホープに導かれ、人跡未踏の荒野を踏破する。ここまで来れば安心と、つい気を抜いたホープの裏をかくようにドレッバーとスタンガスンの一隊が襲い、ジョンを殺害、ルーシーを奪って去った。彼女はドレッバーと結婚させられるが、意に沿わぬ結婚に程なく病死、葬儀の場に飛び込んだホープは彼女の指から結婚指輪を抜き取って去る。
以後、ドレッバーとスタンガスンは執拗に命を狙われる。彼らはソルトレイクシティを離れ、アメリカ国内からヨーロッパを転々としてホープの追跡から逃れる。しかしホープも超人的な執念で彼らを追った。年月がたち、彼らはロンドンに来る。そこでついに件の殺人事件に至ったのであった。下宿を追い出されたドレッバーは辻馬車を拾う。この馬車こそ、ホープが2人を追うために馭していたものだった。ホープはドレッバーを空き家に連れ込み、毒薬の決闘を挑む。彼は自分の復讐を神の手にゆだねたのだ。毒入りとそうでない丸薬を用意し、両者で同時に飲み込み、毒入りに当った方が死ぬという方法である。そしてホープが勝った。結婚指輪はその時落としたのである。スタンガスンにも同じ方法を挑んだが、彼はいきなり襲いかかって来たため、やむなく刺殺したのだった。
取り押さえられたホープはおとなしく縛につき、スコットランド・ヤードに連行され、以上のようないきさつをホームズ、ワトスン、刑事たちに語った。そして、長い追跡のため無理を続けて体を壊していたホープは、起訴を待たずして獄死した。ホープを犯人と見破ったホームズの慧眼にワトスンは敬服し、しかし手柄をグレグスンとレストレイドに横取りされても何も言わない彼を見て、自分がホームズの活躍を記録して世に出そうと決心する（ワトスンの台詞で物語が締めくくられる正典は本作のみである）。
翻案・翻訳の歴史
『A Study in Scarlet』が初めて日本で紹介されたのは、発表から12年後の1899年（明治32年）に『毎日新聞』で連載された『血染の壁』である。訳者は「無名氏」となっていて不明であり、内容を日本に移した翻案だった。作中、ホームズの名前は小室泰六とされ、挿絵では髭を生やした恰幅の良い人物として描かれた。明治時代は翻案が主流で、『新陰陽博士』『モルモン奇譚』『神通力』といったタイトルで紹介された。その後は翻訳が主流となったが、タイトルは『壁上の血書』『疑問の指環』『深紅の一絲』『スタディ・イン・スカアレット』と、様々であった。初めて『緋色の研究』と題されたのは1931年（昭和6年）、改造社の『ドイル全集 第1巻』収録作で、延原謙の翻訳である。以降の翻訳では、タイトルが『緋色の研究』で定着した。
Study と研究
初めてシャーロック・ホームズシリーズ全編の翻訳をした延原謙が『緋色の研究』と訳したことでこの題名で定着したが、原題『A Study in Scarlet』の「study」は「研究」ではなく「習作」と訳すべきだと主張される場合がある。原題『A Study in Scarlet』は作中のホームズの発言に由来する。その発言内に「a little art jargon」という表現があり、美術史学では絵画のタイトルに「study」とあれば「習作」と訳されることなどから、ここでの「study」は「習作」と訳されるべき美術用語であると結論付ける内容である。1997年に翻訳を刊行した河出書房の版（小林司・東山あかね訳）ではこの説により、『緋色の習作』と題している。1953年に延原謙が翻訳した新潮文庫版は、1996年に嗣子の延原展により訳の修正が行なわれた改版となったが、日本では「研究」の訳で定着していること、探偵小説のタイトルとしては「研究」の方が「習作」より優れている説があることなどを理由とし、引き続き『緋色の研究』の訳を採用している。日本以外では、study を étude（フランス）、estudo（ポルトガル）、studie（デンマーク）などと訳しているが、いずれの語にも英語同様、「研究」と「習作」両方の意味があるため、問題は発生していない。
モルモン教への言及について
この作品はモルモン教の主流派である末日聖徒イエス・キリスト教会が一夫多妻制を放棄した1890年よりも前に書かれており、現在では一夫多妻を教会としては認めていない。ただし「一夫多妻を続けている」という、脱会した、あるいは分派の元信者による主張は存在する。
イーノック・ドレッバーがモルモン教徒であるにもかかわらず大酒を飲んでいたり、「高級ラシャ」を着たモルモン教徒がいたり、「被迫害者が迫害者として行動し」ていたり、「異教徒」の娘をめとったり、ブリガム・ヤングがカトリックの教理問答のような台詞を喋っていたりと、本編中でのモルモン開拓者やブリガム・ヤングに関する記述は相当な誤解と偏見を含んでおり、現在もなお多くの部分では修正されていない。ジョセフ・スミス・ジュニアによって創設された当時の末日聖徒イエス・キリスト教会には確かに過激な面があり、ブリガム・ヤングらの努力でそうした部分は是正されていったが、当時のヨーロッパにはまだ強い誤解と偏見が残っていた。
また、モルモン教に登場する「天使モロニ」（教団の発音はモロナイ）」という単語が、アイルランド系の響きであった為、意図的に「メローナ」としたらしい。
同様に、創作である「四長老神聖会議」は、河出書房刊行の『緋色の習作』注によれば、ドイルが何の資料を元に創作したのかは不明である。
なお、ジェレミー・ブレット主演のテレビシリーズでは、このホームズ・シリーズ第1作は映像化されていない。一方、ベネディクト・カンバーバッチ主演のテレビシリーズではこの話をベースにした作品が放送されたが、原作と比べて内容がかなり異なっている。また、漫画などで「モルモン教」に代えて別の名前を用いる例もある。