К Шерлоку Холмсу обращается за помощью доктор Джеймс Мортимер, сельский врач. Его друг, сэр Чарльз Баскервиль, умер при таинственных обстоятельствах у своего родового имения, находящегося в английском графстве Девоншир вблизи Гримпенськой трясины. Всё указывало на естественную смерть, если бы не выражение нечеловеческого ужаса на лице у покойника.
Шерлок Холмс и доктор Ватсон узнают, что у рода Баскервилей существует одна жуткая семейная легенда, которую они передают от поколения к поколению. Легенда эта повествует о собаке-призраке, которая ночью преследует всех Баскервилей на болотах Гримпенськой трясины. Согласно легенде, впервые призрак появился для того, чтобы наказать одного из Баскервилей — беспутного проходимца Гуго, жившего в XVII веке. С тех пор собака иногда появлялся вновь, чтобы забирать жизни у потомков Гуго. Дьявольский призрак описывается в легенде как огромная собака черной масти, с глазами, светящимися и огромной пастью.
Доктор Мортимер просит детектива о помощи, потому что из Америки в родовое «гнездо» прибывает последний потомок рода Баскервилей, баронет Генри Баскервиль, которому тоже грозит опасность. Холмс решает поручить Ватсону сопровождать сэра Генри до его имения и оставаться там с молодым Баскервилем до дальнейших распоряжений.
В конце концов, убийцей оказывается один из соседей Баскервиля — Джек Стэплтон, который на самом деле был племянником сэра Чарльза и кузеном сэра Генри. Услышав перевод жуткой легенды от самого Чарльза Баскервиля, Стэплтон решил использовать ее в своих целях. Зная, что сэр Чарльз болен и может умереть от сильного испуга, он приобрел огромного пса, которого прятал на болоте. В нужный момент Стэплтон разрисовал животное фосфором, который не имел запаха и светился в темноте, и натравил на сэра Чарльза. Тот, испугавшись, побежал и умер от сердечного приступа. Второй раз Стэплтон решил повторить эту историю с Генри Баскервилем. Но в последний момент, когда собака бросилась на баронета, ее застрелил Холмс. Стэплтон, пытаясь скрыться от правосудия, утопает в болоте.