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Benedict Cumberbatch || Sherlock Holmes: fue seleccionado para interpretar a Sherlock Holmes. "Cumberbatch", dice The Guardian, "tiene una reputación de juego y de hombre brillante, y su Holmes es frío, aficionado a la tecnología, un poco asperger". Cumberbatch dice: "Hay una gran carga que recibo por interpretarlo, porque el volumen de las palabras en su cabeza y la velocidad del pensamiento... realmente tienes que hacer las conexiones increíblemente rápido. Él va un paso por delante de la audiencia, y de los que están a su alrededor con inteligencia normal. Ellos no pueden entender muy bien dónde lo lleva su mente". Para el papel, aprendió algunas técnias con el violín, tales como la forma de sostener el arco. El papel del detective inspiró a Cumberbatch a analizar las características de las personas y su comportamiento: "No puedes dejar de echar un ojo alrededor y pensar sobre las personas y la explicación de que podría estar detrás de la demostración exterior... no lo puedo evitar. Que será esa sangría en un anillo de boda, la dinámica de las familias. La gente, en un momento de aislamiento, une los cabos de ciertas cosas. Es un superpoder alcanzable". Piers Wenger, Jefe de Arte Dramático de la BBC Gales, describe el personaje del mismo nombre como "un superhéroe dinámico en un mundo moderno, un detective arrogante, el genio impulsado por el deseo de demostrar que es más inteligente que el autor del delito y la policía... que todo el mundo, de hecho". Para abordar el cambio de actitudes sociales y los reglamentos de radiodifusión, el Holmes de Cumberbatch ha sustituido la clásica pipa por múltiples parches de nicotina.
En una entrevista con The Observer, el co-creador Mark Gatiss dice que tuvieron más dificultades para encontrar el actor adecuado para desempeñar al Dr. John Watson. La productora Sue Vertue dice: "Benedict fue la única persona que realmente vi para Sherlock... Una vez que Benedict estaba allí era simplemente asegurarse de que tenía química con John [Watson]... y creo que la consiguen en cuanto entran en la habitación, se puede ver que pueden trabajar juntos". Steven Moffat recuerda que Matt Smith fue la primera persona que audicionó, sin éxito, para el papel de Watson. La caracterización de Smith en la audición era demasiado "loco", más apropiado para Holmes, y los productores exigieron algo más de la persona "recta" de Watson. Poco después de rechazar a Smith para el Dr. Watson, Moffat, que entonces recién asumía el papel de productor ejecutivo y escritor principal de Doctor Who, lo eligió como el undécimo Doctor Who. Varios actores audicionaron para el papel de John Watson.

Martin Freeman || John H. Watson: Los escritores dijeron que la audición de Freeman desarrolló la forma en que Cumberbatch interpretó a Holmes. La periodista Victoria Thorpe dijo "Freeman es confiable, un Watson capaz abre este moderno Holmes, un hombre que ahora se describe como 'un alto nivel de funcionalidad sociópata'". Gatiss afirma la importancia de alcanzar el tono correcto para el personaje. "Es importante que Watson no es un idiota, si bien es cierto que Conan Doyle siempre tomó el jugo fuera de él", dijo Gatiss. "Sin embargo, sólo un idiota podría rodearse con idiotas". En otra observación, el The Miami Herald señala que la encarnación de Freeman parece más brillante que la versión interpretada por Nigel Bruce en la década de 1940.
Algunos diálogos en el primer episodio sugieren que en esta versión el personaje de Sherlock Holmes es homosexual. Por ejemplo, Holmes responde a la pregunta de Watson sobre su estado de relación con "¿Novia? No, no es mi área". Su propietaria, aparentemente cree que son una pareja, informándoles "Hay otro cuarto arriba... es decir, si necesitan más de uno". Steven Moffat negó cualquier relación sexual implícita entre los dos, mientras que Cumberbatch dice que "aluden a la idea de que puede haber un "malentendido" de otras personas que piensan que somos una pareja". Moffat continuó: "Es que lo de los dos jóvenes investigando juntos, conviviendo juntos... en este bonito mundo moderno que lleva a la gente diciendo, 'Oh, ¿son pareja?'. Y eso es bueno. Pensé que el mundo ha cambiado, no hay desacuerdo. Cuánto se ha civilizado el mundo".

Rupert Graves || Gregory Lestrade: Los escritores se refirieron al personaje como "Inspector Lestrade" durante el desarrollo hasta que Gatiss se dio cuenta de que en el mundo moderno el personaje tendría que tener el título de "Detective Inspector". Moffat y Gatiss señalan que Lestrade no aparece muy a menudo en las novelas y es bastante inconsistente en ellas. Decidieron ir a la versión que apareció en Los Seis Napoleones: él es un hombre que se siente frustrado por Holmes, pero lo admira, y que Holmes considera como el mejor detective en Scotland Yard. Varios actores audicionaron para el papel de una manera cómica. El equipo creativo aprecia la seriedad que Graves presentó para el papel.

Andrew Scott || James Moriarty: Moffat dice: "Sabíamos lo que queríamos hacer con Moriarty desde el principio. Moriarty suele ser un poco aburrido, un villano elegante, así que pensamos en alguien de verdad atemorizante. Alguien que es un psicópata absoluto". Moffat y Gatiss, originalmente, no iban a poner una confrontación entre Moriarty y Sherlock en estos tres episodios, pero se dieron cuenta que "tenía que haber una escena de confrontación. Tuvimos que hacer una versión de la escena de El problema final en la que los dos archienemigos se conocen entre sí".

El resto del elenco regular incluye a Una Stubbs como la señora Hudson, Louise Brealey como Molly Hooper, Robinson Vinette como el Sargento Sally Donovan, Zoe Telford como Sarah, Lara Pulver como Irene Adler y al co-creador Mark Gatiss como Mycroft Holmes.

Sherlock Holmes: Sherlock Holmes es un detective privado, alto, delgado, frío, irónico, ingenioso e intelectualmente inquieto. En ocasiones resulta un tanto brusco, pero es cortés con las mujeres a pesar de que desconfía de ellas. No es muy ordenado en la rutina cotidiana, es muy habilidoso disfrazándose, toca el violín (un Stradivarius, a menudo a horas poco adecuadas) con maestría, es un experto apicultor, excelente boxeador, tiene un gran conocimiento científico, en especial en química, y, cuando se aburre por falta de los retos intelectuales que suponen sus casos, consume cocaína en una solución al 7% (esto sólo se menciona en el libro El signo de los cuatro, publicado en 1890), la cual deja gracias a la insistencia de Watson.

John H. Watson: Además de ser el compañero de aventuras de Sherlock Holmes, es el narrador de ellas. Fue agregado como médico cirujano ayudante al 5º Regimiento de Fusileros de Northumberland. Este se hallaba de guarnición en la India, pero para cuando Watson arriba al país asiático, se había desatado la Segunda Guerra Anglo-afgana, hacia donde se dirige para incorporarse a su escuadrón. En la Batalla de Maiwand, agregado a las tropas del Berkshire, fue herido en el brazo izquierdo. Por este motivo y por haber contraído tifus, es enviado a Inglaterra para recuperarse.

Irene Adler: Es una cantante y actriz nacida en 1858 en Nueva Jersey. En el relato Escándalo en Bohemia se la menciona como "la difunta Irene Adler". El personaje pasa a la historia como el único adversario que fue capaz de engañar y vencer a Holmes, quien se refiere a ella luego del hecho lleno de respeto según el doctor Watson sencillamente como "la mujer", sin llamarla por su nombre.

Mycroft Holmes: Mycroft, siete años mayor que Sherlock y muy parecido físicamente, si bien mucho más alto y voluminoso, posee poderes de deducción muy superiores a los de su hermano, sin embargo no se dedica al trabajo de detective porque es incapaz de hacer el esfuerzo físico necesario para llegar a la conclusión de los casos. Sus movimientos diarios se reducen al trayecto entre sus habitaciones, el Club Diógenes que él mismo cofundó y su trabajo en la administración británica. Su posición en el gobierno no queda clara, pero es de vital importancia. El personaje es siempre un investigador sedentario, pasivo e indolente, que soluciona los casos basándose en ninguna prueba aparente y confiando en Sherlock para los detalles prácticos.

Gregory Lestrade: El inspector Lestrade es un agente de Scotland Yard. En "El sabueso de los Baskerville", Holmes comenta al Doctor Watson que Lestrade "es el mejor de los profesionales, en mi opinión" queriendo diferenciar a los detectives profesionales empleados por Scotland Yard de él mismo. Lestrade es descrito como "un hombre flaco, parecido a un hurón y de mirada furtiva y astuta" en "El misterio del Valle de Boscombe" Lestrade se exaspera con frecuencia por los métodos poco convencionales de Holmes. En "El Misterio del Valle de Boscombe" afirma que "Soy un hombre práctico". Sin embargo, con el tiempo realmente llega a apreciar y respetar el registro de éxitos del detective no oficial. En Londres, los medios de comunicación populares presentan a Lestrade como uno de los mejores detectives de Scotland Yard.

James Moriarty: El Profesor Moriarty es un matemático sin par que goza de excelente reputación social aunque no es dado a llamar la atención en público. Sin embargo, bajo esta apariencia se esconde la mayor mente criminal de la Europa de la época victoriana. Moriarty dirige en la sombra un complejo sindicato internacional del crimen a través del no menos esquivo y discreto Coronel Sebastian Moran. Holmes llama a Moriarty el Napoleón del crimen. Fue creado como el único rival capaz de acabar con el genial detective Sherlock Holmes.

«A Study in Pink
Estudio en rosa»

La policía investiga la muerte de una serie de personas que parecen haberse suicidado tomando una píldora venenosa. El Detective Inspector Lestrade acude a su "asesor no oficial", Sherlock Holmes, que deduce los diversos elementos que apuntan a un asesino en serie. Mientras tanto, Holmes conoce a John Watson, y deciden compartir un piso de Baker Street. Después de una serie de incidentes, la persona responsable de la muerte, un conductor de taxi, revela que sus víctimas se quitaron la vida por jugar un juego de ruleta rusa con dos pastillas: una fatalmente venenosa, y la otra segura. Watson le dispara al "taxista", que revela antes de su muerte que Moriarty era el cerebro de todo el plan. Este episodio es una adaptación libre de Estudio en escarlata.

«The Blind Banker
El banquero ciego»

Sherlock es contratado por un viejo amigo para investigar un misterioso robo en un banco en la ciudad. Él descubre que los símbolos pintados con spray en una pared de la oficina es un mensaje cifrado destinado a un empleado del banco, que más tarde se descubrió muerto en su apartamento. Al día siguiente, un periodista es asesinado y los mismos símbolos se encuentran cerca. Holmes y Watson siguen un rastro de pistas que enlazan a los dos hombres muertos a una red de contrabando de China, que está tratando de recuperar un objeto de valor que uno de ellos robó. Holmes finalmente deduce el mensaje cifrado basado en números Suzhou y un cifrado de datos, pero no antes de que Watson y una amiga sean secuestrados por los estafadores chinos. Holmes rescata a su amigo Watson, pero el líder de la pandilla escapa. Después de escapar, el líder de la banda se comunica con su superior, que se identifica con la inicial "M". Luego es asesinado por un francotirador. Este episodio es una adaptación libre de Los bailarines.

«The Great Game
El gran juego»

Mycroft le encarga a su hermano Sherlock que investigue la sospechosa muerte de un empleado del Gobierno que estaba trabajando en un proyecto confidencial de defensa, el Proyecto de Bruce-Partington. Después de aparentemente rechazar el caso, Sherlock comienza a ser burlado por un siniestro criminal que pone a sus víctimas en chalecos explosivos y establece plazos a Sherlock para resolver casos aparentemente sin relación, incluyendo la desaparición de un hombre de negocios, la muerte de un personaje de la televisión y la muerte de un guardia de una galería de arte. Un asesino, el Golem, aparece en la trama. Cuando Sherlock resuelve los casos, se da cuenta de que todos ellos están vinculados. Después de aclarar el caso del funcionario que le ofreció Mycroft, Sherlock trata de forzar a su adversario invisible para revelarse. El espectáculo termina con un tenso enfrentamiento entre Sherlock y su archienemigo Moriarty, que se revela como el informático que trabaja en el hospital, cuyo laboratorio es utilizado a veces por Sherlock. En el enfrentamiento, Sherlock tiene un arma apuntando a Moriarty, pero en los últimos segundos del episodio Sherlock convierte el objetivo de la pistola a la bomba en el suelo. Este episodio es una adaptación libre de Los planos del "Bruce-Partington".

«Scandal in Belgravia
Un escandalo de Belgravia»

Tras el encuentro con Moriarty, Sherlock y Watson son reclamados por Mycroft, que pretende que Sherlock recupere unas fotos muy comprometidas de la Reina de Inglaterra tomadas por una dominatrix. Este episodio es una adaptación libre de Escándalo en Bohemia.

«The hounds of Baskerville
Los perros de Baskerville»

Sherlock recibe la visita de un joven que de niño observó como su padre fue asesinado por un sabueso, muy cerca del laboratorio de investigación Baskerville, donde se sospecha que se realizan ciertas pruebas con animales. Este episodio es una adaptación libre de El sabueso de los Baskerville.

«The Reichenbach Fall
Las cataratas de Reichenbach»

Tras el prestigio de Sherlock alcanzado al lograr resolver un elevado número de casos especiales para el Gobierno, Moriarty burla la seguridad de la Torre de Londres, el Banco de Inglaterra, y la Prisión de Pentonville, y tras ello se deja atrapar por la policía mientras está sentado en la Torre de Londes con las joyas de la Corona. Tras el juicio y bajo coacción al jurado, sale libre e impune. Posteriormente, urde una trama para poner en contra de Sherlock al Gobierno, la policía, la prensa, y las personas que le rodean, haciéndoles creer que es el mismo Sherlock quién desde el principio prepara todos los delitos para posteriormente resolverlos y ganar fama y prestigio, mientras que Moriarty finge ser quién los perpetra bajo sus órdenes. Sherlock se verá ante una dificil decisión al final del episodio como parte de la trama de Moriarty y su suicidio; El cual no puede soportar y termina lanzándose de un edificio ante un atónito Watson. Este episodio es una adaptación libre de El problema final.