Di padre scozzese e  di madre irlandese il giovane, secondo di dieci figli, inizia i suoi studi presso una scuola cattolica della sua città, Edimburgo, poi presso scuole gesuitiche inglesi e poi ancora in Austria e infine all'Università di Edimburgo dal 1876.
Nel 1880, Arthur Doyle completa la sua formazione pratica come chirurgo nell'Artico a bordo di una baleniera. L'anno successivo, nel 1881 ottiene il baccellierato in Medicina. Subito dopo, appena ventiduenne, e insicuro sul suo futuro, iniziò a vagliare varie possibilità, tra cui quella di partire in India come medico del governo. Alla fine accetta la proposta della African Steam Navigation Company, che gli offriva, a 12£ al mese, un posto da medico di bordo sul battello Mayumba, che collegava regolarmente il porto di Liverpool alle coste occidentali dell'Africa. Accettò e partì verso la fine di ottobre del 1881. In questo periodo inizia a scrivere i suoi primi libri. Molti di quei testi sono stati ispirati dai suoi viaggi oceanici.
Si laurea in Medicina e Chirurgia nel 1885.
 
Terminati gli studi, e non avendo denaro per aprire uno studio medico, si dedica a brevi periodi di apprendistato a Birmingham del dott. Hoare, a Plymouth presso un suo compagno di studi, un certo George Budd, e poi apre con scarso successo, uno studio medico nel Southsea, sobborgo di Portsmouth: è proprio in questo periodo, complice la disponibilità di tempo, che Doyle comincia a scrivere le avventure di Holmes e ad avere un discreto successo presso il pubblico britannico.
Durante gli studi, però, si allontana progressivamente dai i principi della religione cattolica, a cui apparteneva tutta la famiglia, per l'ammirazione nei confronti delle teorie di Darwin prima e per la sua progressiva attrazione per lo spiritismo.
Benché negli anni a seguire la sua attività di scrittore gli porta successo e denaro non abbandona mai la medicina e il suo interesse per questa professione non si esaurisce mai. Studia l’efficacia del chinino nella malaria, polemizza con Kock sull’utilizzo della tubercolina come terapia, inaugura l’usanza dei soggiorni in montagna per la cura della tubercolosi e accompagna a Davos, in Svizzera, la moglie Louisa Hawkins, madre dei suoi primi due figli, quando questa si ammala di tubercolosi.
E’ fuor di dubbio che l’esperienza maturata con il suo maestro universitario, il suo professore Joseph Bell, esercita su di lui una forte influenza da molti punti di vista, avendo la possibilità  di studiare i suoi metodi. Grazie al suo spirito di osservazione, logica ferrea, capacità di intuizione e deduzione,  rapidità di pensiero, Bell è d'ispirazione per Doyle per la creazione del personaggio di Sherlock Holmes.
Così Sir Arthur Conan Doyle, il grande inventore del moderno romanzo poliziesco, ha studiato medicina e ha praticato la professione per quindici anni come medico di bordo, prima di una baleniera e poi di un piroscafo, e infine in un suo ambulatorio con l'insegna della lampada rossa che nell’Inghilterra di allora identifica gli ambulatori medici: questa attività gli dà il titolo di “Dottore di Edimburgo”.