Сър Артър Конан Дойл е роден на 22 май 1859 г. в шотландския град Единбург, в семейството на Чарлс Алтамънт Дойл — архитект и художник. Той е трето поред от десет деца. Баща му страда от психическо заболяване, дълги години се намира на лечение далеч от семейството и умира през 1893 г. Голямо влияние в живота на Артър оказва майка му Мери Фоли. От нея той наследява интереса си към рицарските традиции, подвизите и приключенията. Конан Дойл казва: „Истинската любов към литературата, склонността към съчинителство съм взел от майка си“.

Ученическите години на писателя преминават в имението Стонихърст (графство Ланкашър) сред „мрачните кули и стени“ на подготвителното училище Ходер, а после и в самия йезуитски колеж (1869—1876). Още тогава той се проявява като умел разказвач.

Упорит и прилежен студент — такъв е портретът на Конан Дойл в Единбургския университет 1876—1881, където следва медицина. Същевременно през октомври 1879 е отпечатан негов разказ. Преди последната година в университета той заминава на плаване като лекар на китоловен кораб в арктически води. През 1881 година Конан Дойл получава университетска диплома на бакалавър по медицина (на английски: bachelor of medicine). Малко известно е, но Артър Конан Дойл по професия е офталмолог. В периода 1882—1890 опитва да започне лекарска практика, но без особен успех. През 1882 година отново предприема плаване, този път към Западна Африка.

От 1891 г. Конан Дойл изоставя лекарската професия и основното му занятие става литературата. Търсейки герой за своите произведения, той си спомня за преподавателя си от университета Джоузеф Бел, който често изумявал студентите със своята наблюдателност и умението си с помощта на „дедуктивния метод“ да разплита и най-сложните житейски загадки. Така се появява знаменитият Шерлок Холмс, който донася на автора си световна известност.

През 1885 г. Конан Дойл се жени за Луиза Хокинс, която страда от туберкулоза и умира през 1906. През 1907 година се жени за Джин Леки. Има пет деца: две от първата си жена — Мери и Кингсли, и три от втората — Джин, Денис и Адриан.

Артър Конан Дойл умира от сърдечен пристъп на 7 юли 1930 г. в своя дом в Кроубъроу (на английски: Crowborough (Съсекс).