Hver episode blir laget som en 90 minutter lang individuell film, hvor den briljante privatdetektiven Sherlock Holmes (Cumberbatch) og kompanjongen Dr. John Watson (Freeman) løser varierte og kompliserte drapssaker for Metropolitan Police Service. Selv om serien tar for seg forskjellige saker hver gang, er Sherlock Holmes' kamp mot den psykopatiske og intelligente erkefienden Jim Moriarty en pågående handling.