夏洛克·福尔摩斯(本尼迪克特·康伯巴奇 饰)
本作第一主角，自称职业为“咨询侦探”，与华生医生合租贝克街221B公寓，平时待在公寓里等待警方的咨询或者关注报纸和网上的新闻案件。破案时行头通常为黑色西装，外罩一件黑色长毛呢风衣，围深蓝色围巾。头脑反应迅速，洞察每个细节，知识丰富。每当面对复杂悬疑的案件时就异常兴奋，视破案为实现人生价值的手段，破案时不许其他人干扰或否定，靠贴尼古丁贴片保持思维兴奋。擅长推理、小提琴和格斗术，用演绎法来推断案情，个人网站名为“演绎法研究”，经常在上面发表一些断案的心得。性格坚强、自信、孤傲、厌恶权势，平时与人交往像个孩子，跟现实格格不入。但实际上还是相当关心周围的人，比原作中的福尔摩斯，展现出更多人性的温情，视华生为“唯一的朋友”。S2E3中因莫里亚蒂设下的圈套，为保护华生和其他人的生命，在华生面前坠楼，不过奇迹般的假死脱身。S3E3中因杀掉马格努森而被捕，最终又因莫里亚蒂的再次出现而返回。
夏洛克·福尔摩斯的饰演者本尼迪克特·康伯巴奇介绍：
本尼迪克特·康伯巴奇(Benedict Cumberbatch)，1976年7月19日出生于英国伦敦，英国演员、制片人。2000年，本尼迪克特出演电视剧《心跳》，开始演艺生涯。2004年，因电视电影《霍金的故事》获得蒙特卡洛国际电视节最佳男主角奖。2010年，开始主演电视剧《神探夏洛克》，凭借系列剧集，获得艾美奖、金卫星奖等多项最佳男主角奖，亦得到金球奖、英国电影和电视艺术学院电视奖最佳男主角提名。2011年，因舞台剧《弗兰肯斯坦的灵与肉》获得奥利弗奖、伦敦标准晚报戏剧奖等最佳男主角奖。2012年，主演电视剧《队列之末》，并为《霍比特人》系列进行配音和动作捕捉。2013年，出演电影《星际迷航：暗黑无界》及奥斯卡金像奖最佳影片《为奴十二年》，还成立制作公司制作了首部短片《举手之劳》;同年，获英国电影和电视艺术学院大不列颠奖英国年度艺人奖，并成为《时代周刊》国际版10月号封面人物。2014年，凭影片《模仿游戏》获得好莱坞电影奖最佳男主角奖，和奥斯卡金像奖、金球奖、英国电影学院奖等最佳男主角提名，并入选《时代周刊》年度“全球最具影响力人物”榜，更再度登上该杂志美国版及国际版12月号封面。2015年，被英国女王授予大英帝国司令勋章(CBE)，并受邀加入美国电影艺术与科学学院。
约翰·H·华生(马丁·弗瑞曼 饰)
本作另一位主角，退伍军医，曾服役于前诺桑伯兰第五明火军团，夏洛克·福尔摩斯的室友、挚友和助手，与其合租贝克街221B公寓。左肩在战斗时中弹，留下了心理障碍以致跛足，但在“粉色的研究“一集中和夏洛克追踪凶手，在穿越伦敦市区的过程中克服了心理障碍而痊愈。性格稳重、温和，对人友善，协助破案时则果敢坚强，通常都是帮夏洛克跑腿调查或者一起抓犯人。枪法很准，曾经在夏洛克命悬一线时隔着两道窗户玻璃一枪打中凶手要害。非常欣赏、信任夏洛克，虽然对夏洛克的行事风格有所抱怨，却仍愿意帮助他，每次夏洛克因调查惹出麻烦，华生也总帮他解释。由于约华生将他们办的很多案子都写成了博客发表，令夏洛克名声大噪。S2E3中因亲眼目睹夏洛克坠楼身亡而大受打击，暂时离开了贝克街。S3E2中与玛丽·摩斯坦结婚。
约翰·H·华生的饰演者马丁·弗瑞曼介绍：
马丁·弗瑞曼(Martin Freeman)，1971年9月8日出生于英国，英国影视演员。2004年，马丁·弗瑞曼凭借在《办公室笑云》中的表演获得第57届英国电影和电视艺术学院奖最佳喜剧表演的提名。2010年，马丁·弗瑞曼凭借在BBC电视剧《神探夏洛克》中饰演华生一角而走红，并因此入围艾美奖迷你剧或电视电影类别的最佳男配角奖。2011年，马丁·弗瑞曼在《霍比特人》中饰演男主角比尔博·巴金斯。2012年，由马丁·弗瑞曼参与配音的动画电影《神奇海盗团》上映。
吉姆·莫里亚蒂(安德鲁·斯科特 饰)
第一季和第二季的最终反派，自称是个“犯罪顾问”。聪明狡猾，行事低调谨慎，手下不计其数。视夏洛克·福尔摩斯为劲敌，所有的案子或多或少都与他有所关联。制造出一连串案件，甚至拿夏洛克和华生身边的人相威胁，只为彻底打败夏洛克。S2E3中与夏洛克在屋顶对决，为逼其自杀，饮弹自尽。S3E3中在全英格兰的电子屏幕中露面。
吉姆·莫里亚蒂的饰演者安德鲁·斯科特介绍：
安德鲁·斯科特(Andrew Scott)，1976年10月21日出生于爱尔兰都柏林，爱尔兰影视演员、话剧演员。曾在2005年凭舞台剧《A Girl in a Car with a Man》获得劳伦斯·奥利弗奖。他在伦敦初次登台表演，是话剧《Dublin Carol》。他曾在电影《Nora》和电视剧《The American》中为客串表演。其后，他出演了电视电影《Longitude》，并在大导演斯皮尔伯格执导的剧集《兄弟连》中客串。在《神探夏洛克》扮演莫里亚蒂，被广大中国影迷所熟知。
麦考夫·福尔摩斯(马克·加蒂斯 饰)
夏洛克的亲哥哥，英国政府高级官员(MI6)。跟夏洛克关系比较冷淡，但事实上还是相当关心这个聪明却叛逆的弟弟，一开始想通过收买华生来监视夏洛克但被拒绝，便在夏洛克和华生身边秘密安插保护人员。但在夏洛克做出一些出格的事时，麦考夫还是有一种“恨铁不成钢”的心情。
麦考夫·福尔摩斯的饰演者马克·加蒂斯介绍：
马克·加蒂斯，1966年10月17日出生于英格兰塞奇菲尔德，英国演员、编剧、作家。因编剧、联合制片并参演BBC2010年出品的《神探夏洛克》而为中国观众所熟知。此前，他最为英国观众所知的身份是喜剧四人团体“绅士联盟”的成员和电视剧《神秘博士》的编剧之一。他是一名公开的同性恋者，入选《星期日独立报》(The Independent on Sunday)评选的英国2010年和2011年最有影响力的同性恋者的粉红色名单。他与演员Ian Hallard有英国民事伴侣关系，两人均在BBC电视剧《神探夏洛克》第二季中有演出，拥有一只拉布拉多寻回犬“Bunsen”(本森)。为实现他的另一个童年梦想，他曾在伦敦的家修建一个维多利亚时代实验室。
雷斯垂德(拉珀特·格雷夫斯 饰)
教名格雷格，伦敦警局的警官，莎莉和安德森的上司。经常请夏洛克帮忙，算是夏洛克在警察中比较认同和相信的一个，每当需要警方的力量时，夏洛克总是第一个想到雷斯垂德。
雷斯垂德的饰演者拉珀特·格雷夫斯介绍：
拉珀特·格雷夫斯，1963年6月30日出生于英国英格兰，演员、导演、编剧。作品主要有《莫里斯的情人》、《神探夏洛克》、《V字仇杀队》、《看得见风景的房间》、《葬礼上的死亡》、《加罗律师》等。
哈德森太太(尤娜·斯塔布斯 饰)
贝克街221B的房东，有时也照顾夏洛克和华生的生活起居。跟华生一样，虽然对夏洛克抱怨不止，但跟他的感情至深，甚至把他当作自己的孩子看待。
哈德森太太的饰演者尤娜·斯塔布斯介绍：
尤娜·斯塔布斯(Una Stubbs)，1937年5月1日生于英格兰莱斯特郡的欣克利，演员、舞蹈家。她最著名的角色是BBC情景喜剧Till Death Us Do Part(生死相许)中的Rita和儿童剧Worzel Gummidge(稻草人侦探华泽尔·古米治)中的Aunt Sally。
