また声優選びに関しては、少年といってもひとくせあるキャラクターで、それなりの演技力を必要とするため、山寺宏一にオファーを出した。山寺は、自身の年齢から15歳の役は無理と伝えたため、まずオーディションを行い、何通りかの声を試してみた。その時、三谷が出した「人の目を見てしゃべれない少年のイメージ」の条件に、山寺の声が合致し、彼がホームズの声を担当することになった。また、三谷は山寺について「ナイーブで、繊細で、当然少年という役を、ナイーブでも少年でもない人が演じて、あれだけぴったりはまるのはすごい」と言っている。ちなみに、ホームズ、ワトソン、そしてモリアーティを演じる山寺、高木渉、江原正士は、『新・三銃士』でそれぞれ三銃士のアトス、ポルトス、アラミスの声を担当している。その他にも『新・三銃士』で主人公・ダルタニアンの声を担当した池松壮亮はステイプルトン役、ミレディの声を担当した戸田恵子はクライン役、アンヌ王妃の声を担当した瀬戸カトリーヌはサザーランド役でゲスト出演している。番組中でハドソン夫人が口ずさむメロディーは、番組オリジナルである。番組の製作方法としては、先にセリフを収録し、それに合わせて人形を動かすプレスコの手法が取り入れられている。番組のオープニングのタイトルバックは、CGによるマッピングを駆使しており、『踊る人形』の棒人間が描き出される。
ストーリーの最大の特徴は殺人が起きないことである。また、事件解決後も犯人や依頼人、そして被害者が残って、その後の物語にも顔をのぞかせるという設定になっている。三谷自身は、このドラマを冒険物語と位置付けており、殺人こそ起きないものの、妬み、不倫、詐欺などの悪事を登場させ、子供たちに人間の負の部分もきちんと見せるようにしている。またそれとは別に、個性の尊重や友情の大切さなどの教育的側面も重視している。三谷はワトソンの描き方にも気を配っていて、ホームズにない人間としての温かさ、熱さを描いたとも語っている。三谷によれば、従来、漫才でのボケ役のような所があったワトソンだが、『シャーロック・ホームズの冒険』以後、ホームズとは違った人格の持ち主としてきちんと描かれるようになった。また、『シャーロック』のジョン・ワトソン役のマーティン・フリーマンを高く評価している。フリーマンは三谷原作の『笑の大学』がイギリスで上演された際に出演しているが、三谷は、彼はむしろワトソンというよりホームズ的な雰囲気であるとも言っている。
脚本担当の三谷幸喜は、大変なホームズファンである。また三谷は番組記者会見で、ホームズはミステリーではなくアドベンチャーであると述べている。元々、三谷は『カラマーゾフの兄弟』を人形劇化したいと考えており、ホームズの人形劇化には反対であった。ゲストが出るたびに新しい人形を作る必要があること、推理の決め手となる細かい部分が、人形劇では描きにくいことがその理由だった。また、シドニー・パジェットの挿絵を人形化しようとしたが、ホームズが長身であるため、操作が難しいので見送られた。他にも、既にドラマ『シャーロック』でブームが再燃していたこと、ジェレミー・ブレット主演の『シャーロック・ホームズの冒険』もあったことから、二番煎じを避けるため、原作のよさを取り入れつつ、学園物として制作することになった。対象年齢は10代前半、そして、かつてテレビの人形劇を観て育ったその親の年齢層である。学校が舞台ということで、それまでの回の依頼人や犯人も再登場し、レギュラーが増えて楽しくなるという設定になっており、本来殺人事件でなければ成り立たないはずの原作を、学園物に置き換えるのが楽しかったと語っている。また、なぜ舞台を学校に設定したのかについては、回を追っていく中でわかって来ること、そして『緋色の研究』、『四つの署名』、『バスカヴィル家の犬』そして『恐怖の谷』の四大長編をすべて映像化した、恐らく初めての作品であろうといったことも述べている。三谷自身は、「これを楽しめなければシャーロッキアンではないと思う」と語っている。この発言には批判があったが、三谷自身によれば、ホームズのシリーズは二次創作のしがいがある作品であり、その二次創作を受け入れるには遊び心が大事であるということ、つまりシャーロッキアンであるのならば、学園物という二次創作もまた、受け入れるだけの遊び心を持ってほしいという意味であったとしている。
ロンドン郊外の全寮制名門校、ビートン校にオーストラリアから転校して来た、孤独な正義感が強く優しい少年のジョン・H・ワトソンは、ベイカー寮221B号室でシャーロック・ホームズという一風変わった少年と同室になる。ホームズは問題児と言われており、とっつきにくい印象があったが、初対面のワトソンの経歴を言い当てるなど、観察眼に優れ、ものごとを鋭く見抜く力があった。やがて2人は、教師や生徒から依頼を受け、学校内の様々な事件に関わって行くことになる。なお、ビートン校の名前は、『ビートンのクリスマス年鑑』及びイートン校に由来している。
縄文・弥生期の日本は、世界でも有数の入れ墨文化を有していたと考えられている。縄文時代の土偶には入れ墨を思わせる紋様が描かれているほか、魏志倭人伝によると邪馬台国の男はみな入墨をしていたという。同書には、水に潜って漁をするときのまじないとして入れていたものが装いに転じ、地域や階級によって刺青が異なるとも書かれている。古墳時代、4世紀になると入れ墨を施した埴輪（黥面埴輪）が登場すようになるが、6 - 7世紀ごろになると、入れ墨の文化は徐々に廃れていくものとなる。古代の畿内地方には入れ墨の習俗が存在せず、入れ墨の習俗を有する地域の人々は外来の者として認識されていた、との主張も存在する。これは、古事記の神武天皇紀に記された、伊波礼彦尊（後の神武天皇）から伊須気余理比売への求婚使者としてやって来た大久米命の“黥利目・さけるとめ”（目の周囲に施された入れ墨）を見て、伊須気余理比売が驚いた際の記述を論拠とするものである。さらに、日本書紀には蝦夷が入墨をしているという記述があり、全員入墨をしていたという邪馬台国と大和朝廷とでは、入墨に関して正反対の態度が窺える。これに対して、顔に入れ墨と思しき線が刻まれた人物埴輪が畿内地方からも出土している例や、出土地域による図案の違いから類型化もなされている事実などが、反証として挙げられている。ただ、近年の研究では、アイヌのいれずみは縄文の形式を踏襲したものであり、弥生時代、古墳時代の黥面は、大陸側の龍文化の影響を受けて成立していたことが示されており、日本列島の東西黥面文化さらに大陸文化が混じることで、古代日本のいれずみ文化が形成されていたことが指摘されている。また『古事記』『日本書紀』にみる黥・文身の内容は、事実の記録ではなく、当時の国際情勢から政治的に操作されての記述であることが指摘されている。