Il protagonista è Benedict Cumberbatch, che interpreta appunto Sherlock Holmes. Il dottor John Watson ha poi il volto di Martin Freeman, mentre Una Stubbs interpreta la signora Hudson. Ci sono infine Rupert Graves (nei panni dell'ispettore Lestrade), Mark Gatiss (Mycroft), Louise Brealey (Molly), Andrew Scott (Moriarty) e Amanda Abbington (Mary).