ドクターは元々ガリフレイ（Gallifrey）という惑星に棲むタイムロード（Time Lord）という種族だった。タイムロードは外見は人間と同じだが、心臓を2個持ち、体が重度の損害を受けた場合は少なくとも12回まで別の体に再生（Regeneration）できる能力を持つ非常に長命な種である。また彼らはターディス（TARDIS：Time And Relative Dimension In Space の略）というタイムマシンにより、宇宙のあらゆる場所、時代に行けるほど高度な文明力を持つ。ただし、自分たちの高い技術を他種族に知られることを恐れて基本的には宇宙で起こる事件に関しては不干渉主義を貫いていた。ドクターはそうした官僚主義的な状態に反発して、修理中のターディスを盗み出して出奔し、数々の冒険を重ねていくことになった。

21世紀、陸軍の軍医としてアフガン戦争に従軍したジョン・ワトソンは、戦傷によりイギリス本国に送還され、トラウマを抱えたままロンドンで苦しい生活を送っていた。そんな中、研修生時代の古い知り合いと出会い、自分と同じくルームメイトを探しているらしいシャーロック・ホームズという変わった男を紹介される。頭脳明晰なシャーロックは、スマートフォンやGPSといった現代の技術を駆使し、周囲の人々を戸惑わせながらもその天才的なひらめきと推理力でジョンと共に数々の事件を解決していく。