九月一个早晨，摩梯末医生来拜访福尔摩斯，他随身带来了一扎神秘的手稿，这手稿来自已故的查尔斯·巴斯克维尔爵土。
信中讲述了一百多年前巴斯克维尔家族的祖先雨果·巴斯克维尔是如何为非作歹，最终招致自己丧命在传说中巴斯克维尔猎犬的利齿之下的故事。自此之后，巴斯克维尔家族就笼罩在祖先所犯下罪行的阴影之中，家族族长的继承人们都相继以蹊跷而恐怖的方式死去。
起初福尔摩斯并不为摩梯末医生的故事所吸引，认为这只是个传说。但随着摩梯末医生向福尔摩斯讲述了查尔斯·巴斯克维尔爵士死因的疑点时，福尔摩斯决定插手此案，因为他意识到这不仅关系到已故伯爵查尔斯的真正死因，还关系到巴斯克维尔庄园的下一个继承人亨利·巴斯克维尔的生命安全。
在福尔摩斯的安排之下，他的搭档华生医生陪伴亨利爵士回到巴斯克维尔庄园。 在巴斯克维尔庄园期间，华生接二连三地遇到了种种怪异之事，如半夜时分女人凄惨的哭声，管家白瑞摩夜间可疑的举动，还有他后来发现的一封查尔斯爵士死前未被完全烧毁的信件的碎片，等等。这诸多的疑团使他如坠入云雾之中。正当他决定开始深入虎穴之时，他却出乎意料地遇到了福尔摩斯。
原来福尔摩斯为了弄清传说中猎犬的秘密及巴斯克维尔庄园的惨案，故意避人耳目，独自躲在沼泽地，而此时狡猾的罪犯也开始按捺不住，逐渐浮出水面，他误杀了穿着亨利爵士衣服的逃犯塞尔多。这使福尔摩斯更加确信自己的推断。
于是，福尔摩斯果断地用亨利引出了真正的凶手——斯台普顿。原来两年前刚刚搬到德文郡的斯台普顿就是罗杰·巴斯克维尔，即查尔斯爵士最小弟弟的儿子。多年前人们误以为身为逃犯的罗杰死于南美洲，但实际上，他并没有死，而且还有了一个儿子也叫罗杰，他就是斯台普顿。斯台替顿知道如果查尔斯和亨利都死了，那么他将能得到巴斯克维尔家族的巨额财产，因此他便利用巴斯克维尔猎犬的传说杀害了自己的亲人。他先是用恶犬吓死了年老体衰的查尔斯爵士，随后又妄图让恶犬咬死亨利爵士，但福尔摩斯最终识破了他的诡计，在华生和警探的配合下杀死了那只猎犬，而斯台普顿也在仓皇出逃时葬身于沼泽之中。