Doyle est né le troisième des dix enfants sur 22 mai 1859 à Édimbourg, en Écosse. Son père, Charles Altamont Doyle, né en Angleterre d'ascendance irlandaise, né de sa mère Mary Foley, était irlandais. Ils se marient en 1855.

Bien qu'il est maintenant dénommé « Conan Doyle », l'origine de ce nom de famille composé est incertain (si c'est comment il entend de le comprendre). Son entrée de baptême dans le registre de la cathédrale de la Sainte-Marie à Édimbourg offre 'Arthur Ignatius Conan' comme son prénom et simplement 'Doyle' son nom de famille. Il a aussi appelé Michael Conan étant son parrain.

À l'âge de neuf Conan Doyle, lycée, lieu de Hodder, Stonyhurst fut envoyé à catholique jésuite. Il était alors au Stonyhurst College en laissant de 1875.

De 1876 à 1881, il étudie la médecine à l'Université d'Édimbourg. Pour cela, qu'elle fournit des soins médicaux réguliers dans les villes de Aston (aujourd'hui un quartier de Birmingham) et Sheffield. Pendant ses études, Conan Doyle a commencé à écrire des histoires courtes. Sa première histoire publiée est apparu dans « Journal d'Edimbourg de Chambers », avant d'avoir 20. Après avoir obtenu son diplôme, il a travaillé comme chirurgien du navire sur la SS Mayumba pendant le voyage à la côte occidentale africaine. Il obtient son doctorat sur le sujet du Tabes dorsalis en 1885.