Rođen je 1859. u Edinburghu od roditelja Iraca koji su emigrirali u Škotsku. S devet godina poslan je u isusovačku školu u Stonyhurstu, a 1875. odbacio je kršćanstvo i postao agnostik. Od 1876. do 1881. studirao je medicinu u Edinburghu te obavljao praksu u Astonu (danas predgrađu Birminghama). Nakon studija postao je brodski liječnik i otplovio na zapadnoafričku obalu, a 1882. započeo je privatnu praksu u Plymouthu. Doktorat je dobio 1885. Njegova je praksa bila neuspješna, a čekajući pacijente pisao bi knjige. Prvo mu je djelo izašlo u Chambers's Edinburgh Journal prije njegove dvadesete godine.
Ozbiljnije se posvetio književnosti nedugo nakon preseljenja u odmaralište Southsea. Prvo mu je značajnije djelo bilo A Study in Scarlet ("Skica u grimizu") koje je izašlo u Beeton's Christmas Annual1887. i u kojem se prvi put pojavljuje Sherlock Holmes, stvoren prema profesoru Josephu Bellu. Zanimljivo je da je Rudyard Kipling čestitajući Doyleu na uspjehu upitao: "Je li to moj stari prijatelj, Dr. Joe?". Za života u Southseau sudjelovao je u osnivanju Portsmoutha F.C. i igrao kao njihov prvi vratar.
Godine 1885. oženio je Louise Hawkins, koja je bolovala od tuberkuloze i na koncu preminula 1906. Godine 1907. njegovom drugom ženom postala je Jean Lackie u koju se zaljubio 1897. i s njom održavao platonsku vezu zbog vjernosti prvoj ženi. Doyle je imao petero djece, dvoje s prvom ženom (Mary i Kingsley) i troje s drugom (Jean, Denis i Adrian).
Godine 1890. proučavao je oko u Beču, a 1891. preselio se u London gdje je imao praksu kao okulist. To mu je dalo više vremena za pisanje, a u studenom 1891. pisao je majci: "Mislim kako bi bilo dobro ubiti Holmesa... i završiti s njim zauvijek. Odvlači mi misli od važnijih stvari." To je i napravio u prosincu 1893. u djelu The Final Problem opisavši borbu Holmesa s najvećim neprijateljem profesorom Moriartyjem u kojoj su obojica poginuli u padu s vodopada. Nakon javnog odaziva oživio ga je u djelu The Adventure Of The Empty House s objašnjenjem da je samo Moriarty preminuo, a Holmes je inscenirao svoju smrt kako bi se obračunao sa svojim drugim neprijeteljima. Sherlock Holmes se pojavio u još 56 kratkih priča i u četiri Doyleova romana te u romanima drugih autora.
Nakon Burskog rata u Južnoafričkoj Republici i međunarodnih optužbi protiv Velike Britanije zbog počinjenih okrutnosti, Doyle je napisao pamfletThe War In South Africa, preveden na mnoge svjetske jezike, u kojem je opravdavao ponašanje Britanaca u ratu. Doyle je vjerovao da mu je baš taj pamflet donio titulu Sir i mjesto zamjenika predstavnika krune u Surreyju1902. Napisao je i dužu knjigu The Great Boer War1900. Početkom 20. stoljeća kandidirao se za Parlament kao liberal u Edinburghu i u Border Burghu, ali nije uspio pobijediti. No bio je jedan od prvih počasnih članova Britanskog skijaškog kluba.
Doyle je bio uključen i u kampanju za reforme afričke Slobodne Države Kongo zajedno s novinarom Edmundom Dene Morelom i diplomatom Rogerom Casementom. Napisao je The Crime Of The Congo1909., dugi pamflet koji opisuje zločine u Kongu. Morel i Casment dali su mu inspiraciju za likove djela Izgubljeni svijet (The Lost World) iz 1912. Rastao se od obojice početkom Prvog svjetskog rata jer je Morel bio vođa pacifista, a Casment je izdao Britaniju radi Irskog podrijetla.
U kasnim godinama, Doyle se vezao za spiritualizam i napisao je roman s likom Profesora Challengera pod imenom The Land Of Mist. Jedna je od njegovih čudnijih knjiga The Coming Of the Fairies iz 1921. jer je bio uvjeren u istinitost fotografija vila iz Cottingleya koja su bile glavna inspiracija za djelo u kojem su se mogle pročitati teorije o vilama i duhovima. Nakon ovog djela njegova zbirka kraćih priča The Adventures Of Sherlock Holmes zabranjena je u SSSR-u1929. za vrijeme okultizma, no ta je zabrana kasnije ukinuta.
Doyle je jedno vrijeme bio prijatelj Harryja Houdinija, velikim protivnikom spiritualističkog pokreta. Iako je Houdini smatrao spiritualističke proroke varalicama (pokušavajući ih otkriti), Doyle je mislio da i Houdini ima natprirodne moći, a to je pokazao u djelu The Edge Of The Unknown. Houdini nije uspio uvjeriti Doylea da su to samo čarobni trikovi, što je dovelo do prekida prijateljstva.
U južnoengleskom gradiću Crowboroughu, u kojem je Doyle živio 23 godine, podignut je kip u njegovu čast, a na Picardy Placeu u Edinburghu, blizu Doyleove rodne kuće stoji kip Sherlocka Holmesa.
