История сериала начинается на студии «Ленфильм», куда в 1979 году принесли свой сценарий Юлий Дунский и Валерий Фрид. Игорь Масленников не был большим поклонником творчества Конан-Дойля, но идея будущего телевизионного фильма ему понравилась. В сценарии присутствовало интересное противопоставление характеров Шерлока Холмса и доктора Ватсона, что должно было привлечь зрителя.

В том, что Холмс это роль Василия Ливанова, Масленников не сомневался, хотя на пробы на всякий случай был также приглашён Александр Кайдановский. Ватсона, облик которого в произведениях Конан-Дойля никак не описан, пришлось искать дольше. Масленникова привлекла архивная фотография артиста Виталия Соломина с приклеенными усами, где он, как показалось, походил на англичанина. Актриса Рина Зелёная была утверждена на роль миссис Хадсон, несмотря на то, что к моменту начала съёмок ей уже исполнилось 77 лет.

Премьера фильма состоялась 22 марта 1980 года. Фильм сразу приобрёл большую популярность в СССР. Фразы героев стали крылатыми, Холмс и Ватсон в исполнении Ливанова и Соломина стали героями анекдотов и любимцами телезрителей. После выхода первых серий на экраны создатели оказались завалены письмами — зрители требовали продолжения. Создатели сериала, в определённом смысле, повторили судьбу Конан-Дойля, который продолжил эпопею о Холмсе только по многочисленным просьбам читателей. В 1986 году съёмки были завершены — постаревшие экранные герои отправились на пенсию. Актёры морально и физически устали играть одно и то же. Рина Зелёная к этому времени почти полностью ослепла.

В капиталистические страны ещё в 1980-е годы советский сериал проник так же, как и другие фильмы — через границу между ГДР и Западным Берлином. Картине было сложно легально попасть на западные телевизионные экраны из-за нестандартного формата — там уже давно сложилась практика делить на серии длительностью около 50 минут.

В 2000 году была снята цифровая 13-серийная версия сериала, переснятого в новый временной формат с обрамлением в виде новой сюжетной канвы. У создателей сериала («Ленфильм») и телевизионной компании, купившей права на показ («Медиа-Мост»), возникли юридические сложности с разделением прав на интеллектуальную собственность. В настоящее время материалы сериала 2000 года арестованы и не подлежат показу на экранах.

Василий Ливанов — Шерлок Холмс
Виталий Соломин — доктор Ватсон
Рина Зелёная — миссис Хадсон
Борислав Брондуков — инспектор Лестрейд (озвучивал Игорь Ефимов)
Борис Клюев — Майкрофт Холмс

Значительная часть материала была снята в павильонах «Ленфильма», натуру для съёмок нашли в Ленинграде, Ленинградской области, в Прибалтике и на Кавказе.

Большинство зданий, попадающих в кадр фильма, это исторические строения Ленинграда, Таллина и Риги. Роль Рейхенбахского водопада исполнил Гегский (Черкесский) водопад в Абхазии. В качестве «Бейкер-стрит» и «дома 221b» фигурировала ул. Яуниела (Jauniela — «новая улица») и д. 22 в Риге. Эта же улица снималась в сериале «Семнадцать мгновений весны» как легендарная «Цветочная улица».

Интересно, что реальная Бейкер-стрит в Лондоне была и остаётся гораздо более широкой и оживлённой, чем её принято изображать в кинематографе.

В 2009 году на канале СТБ вышел трехсерийный фильм-телепередача про съемки сериала: Холмс и Ватсон. Неизвестная версия, в которой рассказано множество интересных фактов, интервью с Игорем Масленниковым, а также монтажерами, режиссерами, костюмерами и конечно многими актерами Василием Ливановым, Борисом Клюевым, Светланой Крючковой, Виктором Евграфовым, Евгением Стебловым, Никитой Михалковым, Александром Адабашьяном, Ириной Купченко, Аллой Демидовой, Екатериной Зинченко, Виктором Проскуриным, Сергеем Шакуровым.

По ходу съёмок вскрылось несколько «ляпов», которые допустил Конан-Дойль. Так, в частности, оказалось, что змеи не могут ползать по верёвке (рассказ «Пёстрая лента»). Другая неточность связана с собакой Баскервилей. В оригинале собаку для устрашения намазывают светящимся в темноте и небезопасным для здоровья фосфором. Когда создатели попытались сделать то же самое в реальности, оказалось, что собака немедленно начинает слизывать и избавляться от того, что нанесли на её шкуру.

Знаменитая фраза «Элементарно, Ватсон» — никогда не произносилась Холмсом в литературном первоисточнике. Однако, впервые прозвучав в британском фильме о Холмсе «Возвращение Шерлока Холмса» (The Return of Sherlock Holmes, 1929), благополучно перекочевала и в советский сериал.

Если присмотреться, то обручальные кольца у Бэримора (в серии «Собака Баскервилей») и инспектора Лестрейда (в серии «Двадцатый век начинается») находятся на правой руке, в то время как в Великобритании кольца носят на безымянном пальце левой руки.