1859년 에든버러에서 출생했고 아버지 찰스 얼터먼트 도일은 잉글랜드인이었고 어머니 메리 폴리는 아일랜드인이었다. 에든버러 대학교 의학과에서 공부했고, 졸업 후 개업의로 일하는 한편 소설을 썼다. 학생 시절부터 단편을 썼던 그는 20세가 되기 전에 첫 작품을 에든버러 저널에 발표하였다. 첫번째 결혼을 1885년 루이스 호킨스와 하였고, 1907년 진 레키와 두번째 결혼을 하였다. 첫 부인과 두 명의 자식이 있고 두번째 부인과 두 명의 자식이 있다. 1930년 7월 7일 심장마비로 사망하였으며 두번째 부인에게 마지막 말로 당신 정말 멋져(You are wonderful.)라 했다고 한다. 애드가 앨런 포와 에밀 가보리오를 동경하여 새로운 인물의 창조에 착상, 드디어 '셜록 홈즈'로 대표되는 명탐정을 탄생 시켰다. 1887년 첫 번째 작품인 <주홍색 연구 A Study in Scarlet>가 발표되고, 단편이<스트랜드 매거진>에 연재되자 큰 호평을 받았다. 보어전쟁 때에는 군의관으로 출전, 기사 작위를 받았다. 홈스 탐정물의 연재는 몇 번이나 중단되었으나, 그때마다 독자의 성화에 못 이겨 다시 썼고, 장편은 <바스커빌 가(家)의 개 The Hound of the Baskervilles>외 3편, <빨간 머리 연맹 The Red-headed League>외 55편의 단편이 있다. 홈즈는 명탐정으로 전 세계의 독자들을 사로잡았고, 도일은 추리소설을 보급하는 데 중요한 역할을 했다. 또한 <용감한 제랄>의 모험담, <잃어버린 세계>등의 과학소설도 썼으며, 역사에 많은 관심이 많아서 역사 소설을 출판하기도 하였다. 영국과 프랑스의 백년 전쟁을 소재로 한 <흰색 회사(The White Company)> 등이 있다. 

1991년 중앙일보 신춘문예 문학평론 부문에 당선했다. 한국산업은행에 10여 년 다녔으며 다수의 소설과 어린이책 외에 《소원을 이루는 기술》 《전쟁의 역사》 《조지 가모브 물리열차를 타다》 《무한의 신비: 수학, 철학, 종교의 만남》 등 다양한 분야의 영어책을 우리말로 옮겼고, 《창의력, 꽃에게 길을 묻다》를 썼다.