史蒂文·莫法特和苏·维特在观看电影《赎罪》后对本尼迪克特·康伯巴奇表示赏识,希望他能出演夏洛克,本尼迪克特因此成为夏洛克一角的唯一人选。而寻找华生的扮演者比找夏洛克还要困难。数名演员参与了华生一角的试镜,最终马丁·弗瑞曼得到了角色,编剧组指出马丁有助于塑造出本尼迪克特饰演夏洛克的方式。
剧组的大本营设在卡迪夫的西哈斯伍德电影公司,部分景物与伦敦相当吻合。但是,标志性的建筑物不能造假,因此剧组必须回到首都取景。夏洛克和华生的住处贝克街221号B实际场景是高尔北街185号,这是由于真正的贝克街交通繁忙,而且存在太多标有福尔摩斯的景物。