Роман начинается тем, что Шерлок Холм и доктор Ватсон рассматривают трость, оставленную неизвестным гостем, и составляют его словесный портрет. Им оказывается молодой доктор Мортимер, личный врач Чарльза Баскервиля, умершего при странных обстоятельствах.
Вскоре сыщиков посещает сам доктор и зачитывает им легенду о страшном проклятии, тяготеющим над родом Баскервилей. По легенде их преследует чудовищный адский пёс, выходящий по ночам на болото. Хьюго Баскервиль, влюбленный в дочь соседа фермера, похитил ее. Девушка смогла сбежать и попытаться пробиться домой через болото. Хьюго организовал погоню вместе с приятелями, но был растерзан чудовищем, похожим на собаку. Сама девушка скончалась там же. Доктор увязывает легенду со смертью сэра Чарльза, умершего на болотах. Аргументирует Мортимер связь тем, что видел рядом с телом покойного следы огромной собаки. Доктор беспокоится о потомке покойного, сэре Генри Баскервиле. Также доктор упоминает о большом наследстве, оставленном хозяином Баскервиль-холла. После встречи с наследником Холмс обнаруживает слежку.
В отеле с сэром Генри происходят странные вещи: кто-то крадёт его обувь, подбрасывает записку с предупреждением об опасности торфяных болот.
Ватсон, Баскервиль и Мортимер отправляются в родовое поместье, Баскервиль-холл, где их встречает дворецкий Беримор с женой. Графство Девоншир производит унылое впечатление: заболоченная скалистая местность, глухие деревушки, мрачный замок. Вскоре выясняется, что на болотах скрывается сбежавший каторжник Селден.
Гости знакомятся с соседями. Одним из них является естествоиспытатель мистер Степлтон с сестрой, полоумный старик Френклин. У сэра Генри возникают чувства с сестре Степлтона, что беспокоит Ватсона. По ходу расследования Ватсон узнаёт, что сбежавший преступник – брат жены дворецкого, Бериморы кормят каторжника в надежде, что он скоро уедет. Ночью Баскервиль и Ватсон пытаются поймать Селдена, но слышат на болоте жуткие звуки. По словам фермеров так воет чудовищная собака, когда ищет добычу. Кроме того, Ватсон замечает таинственную фигуру на скале: на болотах прячется кто-то еще.
Ватсон и Баскервиль не посвящают никого в тайну Бериморов, в благодарность дворецкий рассказывает о письме женщины, из-за которой сэр Чарльз уходил на болота. Женщиной оказывается дочь старика Френклина Лора Лайнс, на момент гибели барона нуждающаяся в финансовой помощи. Ватсон навещает Лору, та сообщает ему, что действительно писала письмо, но причастность к преступлению отрицает.
Ватсон встречается с Френклином, который указывает на мальчика, носящего еду в одну из пещер на болотах. Ватсон приходит туда и узнаёт, что незнакомец на скале никто иной, как сам Шерлок Холмс, тайно приехавший для расследования. Холмс сообщает о тайной связи Степлтона и Лоры Лайнс, а также о том, что особа, которую он выдает за сестру, на самом деле его жена. В этот момент сыщики слышат вой собаки и человеческий крик. Выйдя на болото они находят труп Селдена, одетого в шубу сэра Генри. Вскоре там появляется и Степлтон, к которому обещал зайти сэр Генри.
Сыщики приходят в Баскервиль-холл и видят портрет предка сэра Генри Хьюго. Пораженные сходством Хьюго и Степлтона, они понимают, что он – родственник сэра Чарльза.
Утром в Девоншир прибывает инспектор Лестрейд, а Холмс выводит Лору Лайнс на чистую воду. Женщина, обманутая Степлтоном, стала слепым оружием в руках убийцы. Сэр Генри по приказу Холмса идет в гости к Степлтонам, думая, что сыщики уехали в Лондон. На самом деле они готовят засаду. Баскервиль возвращается ночью домой, в тот момент на него нападет огромная собака со светящейся мордой. Холмс убивает собаку из револьвера, спасая барона. Оказалось, что исчадие ада – обычная собака, раскрашенная фосфором, использовалась как орудие убийства. Становится ясна причина смерти сэра Чарльза: сильный испуг. Оставив сэра Генри приходить в себя, сыщики проникают в дом преступника и находят его жену без сознания. Женщина указывает на место возможного укрытия Степлтона в районе Гринпенской трясины. Придя туда, сыщики находят заброшенную хижину рудника, где Степлтон прятал собаку. Там же обнаружена банка фосфора и останки Снуппи – пса доктора Мортимера, пропавшего на болотах. Сам преступник сгинул в трясине. Сэр Генри лечится от сердечного приступа и строит планы относительно мисс Степлтон, а Ватсон и Холмс возвращаются в Лондон.
Мораль романа сводится к тому, что каждый рано или поздно будет наказан. Как Хьюго, как Степлтон, как каторжник Селден. Кроме того, роман показывает, что не всё выглядит именно так, как выглядит. Степлтон, казавшийся добродушным ученым, собирающим бабочек, оказался жестоким убийцей, охотящимся за наследством. Жена Степлтона, казалось бы, должна была помогать мужу в злодеянии. Но она же всячески пыталась предостеречь сэра Генри, она же написала предостерегающую записку. И, несомненно, не стоит придавать слишком большого внимания легендам и суевериям, ибо многие могут воспользоваться ими в злых целях.
