К Шерлоку Холмсу обращается Джеймс Мортимер, сельский врач деревни Гримпен (Дартмур, графство Девоншир). Его давний друг и пациент сэр Чарльз Баскервиль 3 месяца назад умер при загадочных обстоятельствах. В роду Баскервилей, издавна живших в родовом поместье Баскервиль-холл, расположенном вблизи обширных Дартмурских болот, из поколения в поколение передаётся семейное предание о призрачной собаке, которая преследует всех Баскервилей на болотах. Согласно старой легенде, датированной 1742 годом, беспутный Хьюго Баскервиль похитил девушку (дочь местного фермера), но в ту же ночь она сбежала от него и побежала домой через болота; Хьюго пустился за ней в погоню, но в итоге был убит на болотах призрачным существом (девушка же умерла от страха и потери сил), которое с тех пор периодически напоминает о себе загадочными смертями других представителей рода Баскервилей. Призрак описывается в легенде как огромная собака чёрного окраса со светящимися глазами и пастью.
Доктор Мортимер рассказывает, что сэр Чарльз Баскервиль верил в семейную легенду и не решался выходить на болота ночью, но он был найден мёртвым в тисовой аллее собственного поместья недалеко от калитки, ведущей на болота. Всё указывало на смерть по естественным причинам (болезни сердца), но на некотором отдалении от тела доктор обнаружил собачьи следы огромных размеров. Кроме того, незадолго до смерти сэра Чарльза живущие вблизи Баскервиль-холла фермеры несколько раз видели ночью страшный светящийся призрак, по описанию очень похожий на собаку Баскервилей из легенды.
Доктор Мортимер, как доверенное лицо и душеприказчик сэра Чарльза, просит у Холмса совета, как ему поступить с сэром Генри Баскервилем, жившим в Канаде наследником поместья и последним отпрыском рода Баскервилей; сыщик приглашает доктора и наследника, приезжающего в Лондон через час, к себе на следующий день. На следующий день клиенты приходят к Холмсу. Оказалось, сэр Генри уже успел получить анонимное письмо с предупреждением держаться подальше от торфяных болот, а немного позже Холмс и Уотсон обнаруживают слежку за сэром Генри. Попытки узнать что-либо о следившем (допрос кэбмена) и об авторе анонимного письма оказываются безуспешными. По совету Холмса наследник отправляется в родовое поместье в сопровождении доктора Уотсона, которому поставлена задача наблюдать за происходящим и писать об этом сыщику подробные отчёты по почте.
Сэр Генри и доктор Уотсон на пути к поместью узнают о побеге из тюрьмы каторжника Селдена («Убийцы из Ноттинг-Хилла»). Вечером они прибывают в Баскервиль-холл, окружённый болотом и граничащий с опасной Гримпенской трясиной, и знакомятся с прислугой — дворецким Джоном Бэрримором и его женой — экономкой Элизой.
Доктор Уотсон начинает расследование, познакомившись с соседями сэра Генри — энтомологом Джеком Стэплтоном и его сестрой Бэрил, которая пытается через Уотсона предупредить сэра Генри об опасности; пожилым мистером Френклендом, помешанным на политике астрономом-любителем, и его дочерью Лорой Лайонс, у которой была непонятная связь с сэром Чарльзом Баскервилем.
Вскоре на болотах доктор Уотсон встречает Шерлока Холмса, который, как оказалось, всё это время находился рядом, но при этом действовал скрытно, чтобы не спугнуть преступника. Холмс уже понял, что преступник — Джек Стэплтон. Стэплтон соблазнил Лору Лайонс и вынудил её выманить сэра Чарльза из дома к калитке на болота якобы на свидание. Узнав до этого от самого сэра Чарльза легенду о собаке Баскервилей и зная, что сэр Чарльз, страдающий заболеванием сердца, может умереть от сильного испуга, Стэплтон купил огромного пса (помесь гончей-бладхаунда и мастифа), тайком доставил его на болота, разрисовал светящимся фосфорным составом и в нужный момент натравил на Чарльза. Увидевший светящегося призрака баронет в панике бросился бежать и умер от сердечного приступа. Позже, увидев в Баскервиль-холле портрет Хьюго Баскервиля, Холмс и Уотсон понимают всё: Джек Стэплтон как две капли воды похож на основателя рода, он — тоже Баскервилль и хочет получить замок в свое владение. Именно этим объясняются все его действия.
И Холмсу, и Уотсону делается ясно, что сэру Генри грозит смертельная опасность: он тоже претендует на владение поместьем, и Стэплтон постарается убить конкурента. По мнению Холмса, собранных им с Уотсоном доказательств недостаточно для привлечения Стэплтона к суду присяжных, и друзья решают взять его с поличным на месте преступления, выставив сэра Генри в качестве «приманки». Холмс и Уотсон делают вид, что уехали в Лондон, а на самом деле прячутся возле дома Стэплтона вместе с прибывшим из Лондона инспектором Лестрейдом. Генри, отужинавший у Стэплтонов и предупрежденный об опасности, один отправляется домой по болоту. Холмс, Уотсон и Лестрейд, стреляя из револьверов, убивают боевого пса, спасая уже настигнутого им Генри. Но им не удаётся арестовать Стэплтона — спасаясь от погони, он пропадает где-то в Гримпенской трясине.
