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Il primo episodio, Uno studio in rosa, è basato sul primo romanzo della saga di Sherlock Holmes Uno studio in rosso ed è incentrato sull'incontro tra John e Sherlock. I due diventano coinquilini affittando un appartamento al 221B di Baker Street, a Londra. Vengono a conoscenza di numerose morti su cui sta indagando Scotland Yard che ritiene si tratti di casi di suicidio, e prendono parte alle indagini. Mycroft Holmes, il fratello maggiore di Sherlock appare per la prima volta.

Nel secondo episodio, Il banchiere cieco, Sherlock viene assunto da un vecchio compagno di università per investigare su una misteriosa irruzione in una banca di Londra.

La prima stagione si conclude con Il grande gioco: in questo episodio viene introdotta la sua nemesi, James Moriarty, che sfida Holmes a risolvere una serie di casi apparentemente non connessi tra loro. L'episodio si conclude con un finale in sospeso in cui Sherlock e Moriarty si affrontano in uno scontro dall'esito potenzialmente mortale.