Sherlock mostra a história do detetive Sherlock Holmes (Benedict Cumberbatch) resolvendo vários mistérios na Londres contemporânea. Holmes é ajudado pelo seu amigo Dr. John Watson, um médico que retorna à Inglaterra depois de servir como médico no exército britânico na Guerra do Afeganistão. Apesar de no início o Inspector Lestrade da Polícia Metropolitana de Londres, assim como outros, inicialmente duvidarem de Holmes, seu excelente intelecto e suas habilidades de observação e dedução persuade todos do seu valor. Com as suas aventuras sendo documentadas no blog de Watson, Holmes se torna uma celebridade relutante e seus casos, assim como sua vida excêntrica, são mostrados na imprensa. Tanto pessoas comuns como o governo pedem a sua ajuda.
A série retrata uma série de criminosos, incluindo o arqui inimigo de Sherlock, Jim Moriarty. Molly Hooper (Louise Brealey), uma patologista do St Bartholomew’s Hospital ocasionamente ajuda Holmes nos casos.
