1891年，他在倫敦開辦眼科治療業務，因生意清淡遂決定棄醫從文，開始為《河濱雜誌》撰寫福爾摩斯探案短篇故事，第一組以《波希米亞醜聞》為首的六篇引起讀者極大興趣，雜誌社要求他續寫六篇，但柯南·道爾並不積極，索要每篇50鎊稿酬，雜誌社一口同意，於是他又寫了第二組故事，1892年這12篇彙編成《福爾摩斯探奇曆險記》出版。隨後他厭倦續寫偵探小說，而願仿效沃爾特·司各特從事嚴肅的曆史小說創作，後經母親勸說才擱置這一打算，但他向《河濱雜誌》社提出12篇故事需付一千英鎊的優厚稿酬，未料雜誌社慨然允諾，他遂再次續寫《銀額駒》等12篇探案故事，不過在最後一篇《最後的問題》中他還是讓福爾摩斯和他的宿敵莫裏亞蒂在瑞士頓興巴赫瀑布懸崖上搏鬥，雙雙墮入深淵而亡。這12篇短篇於1893年彙集成《回憶錄》一書出版。
英倫廣大讀者對柯南·道爾處死福爾摩斯深感遺憾和憤怒，紛紛致函雜誌社表示抗議，並退訂刊物。據說當時倫敦城內不少人佩戴黑臂箍以悼念神探之死，有位女士甚至怒罵柯南·道爾為畜生。後經近十年的間隔，柯南·道爾聽到朋友講述一條鬼怪似的獵犬奇聞，乃決定把它作為福爾摩斯早期探案的情節，於1902年發表《巴斯克維爾的獵犬》，作品大受讀者歡迎。1903年，他不再固執己見，在《空房子》那個短篇中使福爾摩斯死而複生，從而為刊物續寫另一組故事，後彙集為《歸來記》於1905年出版。嗣後，他又寫了《恐怖穀》（1915）、《最後的致意》（1917）和《新探案》（1927）三組偵探故事。《福爾摩斯探案全集》於1928—1929年出版，共收集四部中長篇和56部短篇。
柯南·道爾另寫過多部曆史小說、科幻小說和劇本，但最終他在英國文學史上主要是以偵探小說聞名於世。他因對英國在南非戰爭的政策的辯護而於1902年被封為爵士。晚年他由於其子在第一次世界大戰中負傷不治身亡而沉迷於通靈，宣稱能與亡靈對話，並著有《唯靈論曆史》等書。1930年7月7日，柯南·道爾心髒病發作，病逝於薩塞克斯郡家中，享年71歲。
柯南·道爾繼承西方文學傳統，在探案中還塑造了福爾摩斯的一個陪襯人物——記述他的探奇曆險事跡的華生醫師淳厚忠誠的形象。福爾摩斯和華生，就像唐吉訶德和桑丘、約翰遜和鮑斯韋爾、匹克威克先生和薩姆·韋勒那樣，是一對令人難忘的美好搭檔。時至今日，西方仍有不少讀者視福爾摩斯為真人，投郵至倫敦貝克街向他谘詢各種問題，請他協助破案。福爾摩斯探案故事自1901年給拍攝成默片以來，至今屢經改編成電影和電視片，越拍越精彩。另有眾多英美作家一直在仿效柯南·道爾的筆法續寫福爾摩斯探案。尤為令人驚奇的是鑒於福爾摩斯在業餘時間喜好做化學實驗，英國皇家化學學會2002年10月宣布破例授予福爾摩斯這一虛構人物以榮譽會員資格，並紀念他在《巴斯克維爾的獵犬》一書中複出破案百周年。另據英國佳士得拍賣行2004年透露，一批遺失的柯南·道爾的私人文件已在倫敦一家律師事務所裏發現；這批私人信件、筆記和手稿大部分從未發表過。據估計，這批珍貴收藏品拍賣成交價將高達兩百萬英鎊雲。
1891年，他在倫敦開辦眼科治療業務，因生意清淡遂決定棄醫從文，開始為《河濱雜誌》撰寫福爾摩斯探案短篇故事，第一組以《波希米亞醜聞》為首的六篇引起讀者極大興趣，雜誌社要求他續寫六篇，但柯南·道爾並不積極，索要每篇50鎊稿酬，雜誌社一口同意，於是他又寫了第二組故事，1892年這12篇彙編成《福爾摩斯探奇曆險記》出版。隨後他厭倦續寫偵探小說，而願仿效沃爾特·司各特從事嚴肅的曆史小說創作，後經母親勸說才擱置這一打算，但他向《河濱雜誌》社提出12篇故事需付一千英鎊的優厚稿酬，未料雜誌社慨然允諾，他遂再次續寫《銀額駒》等12篇探案故事，不過在最後一篇《最後的問題》中他還是讓福爾摩斯和他的宿敵莫裏亞蒂在瑞士頓興巴赫瀑布懸崖上搏鬥，雙雙墮入深淵而亡。這12篇短篇於1893年彙集成《回憶錄》一書出版。
英倫廣大讀者對柯南·道爾處死福爾摩斯深感遺憾和憤怒，紛紛致函雜誌社表示抗議，並退訂刊物。據說當時倫敦城內不少人佩戴黑臂箍以悼念神探之死，有位女士甚至怒罵柯南·道爾為畜生。後經近十年的間隔，柯南·道爾聽到朋友講述一條鬼怪似的獵犬奇聞，乃決定把它作為福爾摩斯早期探案的情節，於1902年發表《巴斯克維爾的獵犬》，作品大受讀者歡迎。1903年，他不再固執己見，在《空房子》那個短篇中使福爾摩斯死而複生，從而為刊物續寫另一組故事，後彙集為《歸來記》於1905年出版。嗣後，他又寫了《恐怖穀》（1915）、《最後的致意》（1917）和《新探案》（1927）三組偵探故事。《福爾摩斯探案全集》於1928—1929年出版，共收集四部中長篇和56部短篇。
柯南·道爾另寫過多部曆史小說、科幻小說和劇本，但最終他在英國文學史上主要是以偵探小說聞名於世。他因對英國在南非戰爭的政策的辯護而於1902年被封為爵士。晚年他由於其子在第一次世界大戰中負傷不治身亡而沉迷於通靈，宣稱能與亡靈對話，並著有《唯靈論曆史》等書。1930年7月7日，柯南·道爾心髒病發作，病逝於薩塞克斯郡家中，享年71歲。