福爾摩斯偵探的主要思路是溯因推理。福爾摩斯故事常常是他"演繹法"才華的展示。對於邏輯學家和對邏輯有興趣的人來說，分析福爾摩斯的"演繹法"是蠻有意思的。"福爾摩斯演繹法"看上去像是從實踐原則中直接得出，根據細心觀察，如福爾摩斯研究各種菸灰，或是從最佳解釋中做出推論。從福爾摩斯那裡，我們可以常常聽到："如果你把所有不可能的刨去，那麼剩下的，無論多麼難以置信，肯定不錯。"
福爾摩斯直白的原理的形式是"如果p，那麼q"，其中"p"代表一些觀察證據，"q"是證據所指代的。但有時也會有中間地帶。在《波希米亞醜聞》當中，福爾摩斯觀察渾身溼漉漉的華生，稱這是"年輕而沒有經驗的女傭人做的"。華生倍感驚奇，問福爾摩斯是怎麼知道的，福爾摩斯回答：
這些事本身很簡單，我的眼睛告訴我，在你左腳那隻鞋的裡側，也就是爐火剛好照到的地方，其面上有六道幾乎平行的裂痕。很明顯，這些裂痕是由於有人為了去掉沾在鞋跟的泥疙瘩，粗心大意地順著鞋跟刮泥時造成的。因此，你瞧，我就得出這樣的雙重推斷，認為你曾經在惡劣的天氣中出去過，以及你穿的皮靴上出現的特別難看的裂痕是倫敦年輕而沒有經驗的女傭人做的。至於你開業行醫嘛，那是因為如果一位先生走進我的屋子，身上帶著碘的氣味，他的右手食指上有硝酸銀的黑色斑點，他的大禮帽右側面鼓起一塊，表明他曾藏過他的聽診器，我要不說他是醫藥界的一位積極分子，那我就真夠愚蠢的了。
在這個案例中，福爾摩斯使用了幾點邏輯：
如果鞋子一邊的皮革被平行刮傷了，那就是有人為了去除泥點子劃的。
如果倫敦醫生的鞋子被劃了，那麼這是女僕做的。
如果把鞋子劃傷了，那這個人就是笨手笨腳的。
如果他的鞋子沾滿了泥點子，那他可能在雨中行走，被淋了個透。
通過應用上述觀察原理，福爾摩斯可以從觀察中得出他的結論"華生的鞋子一側有幾乎平行的裂痕"即：
"華生的女傭人年輕而沒有經驗"，"華生剛在倒黴的天氣裡淋了雨"。
演繹推理可以令福爾摩斯出眾地解釋陌生人的職業，例如在《血字的研究》中對退役陸戰隊軍官的觀察；《紅髮會》中一名木匠從船上退役，做起了典當鋪生意；《希臘語譯員》中的檯球記分員和退役的炮兵軍士。類似地，福爾摩斯會觀察其它物件，從中得出關於物主的信息，如在《四簽名》當中觀察華生表、一頂帽子，手杖，一個菸斗等。
道爾並沒有把福爾摩斯描述成為永無謬論的人，在這一點上他格外小心，這也是《黃色臉孔》的中心主題。在故事的末尾，恢復冷靜的福爾摩斯告訴華生："如果以後你覺得我過於自信我的能力，或在辦一件案子時下的功夫不夠，請你最好在我耳旁輕輕說一聲'諾伯裡'，那我一定會感激不盡的。"。
福爾摩斯擅長喬裝打扮。在幾個故事中，他通過偽裝來蒐集證據，以至於連華生也一併被騙了過去，如《米爾沃頓》、《空屋》、《歪唇男人》、《波希米亞的醜聞》。在其它故事當中，福爾摩斯假裝受傷，如《垂死的偵探》和《波希米亞的醜聞》。在之後的故事當中，華生稱"舞臺上少了一位絕佳的演員...當[福爾摩斯]成為犯罪高手時"意思是福爾摩斯偽裝水平之高，連華生自己也被騙的暈頭轉向。
在福爾摩斯那裡華生扮演著兩個角色。首先他為案件調查提供幫助，也他是偵探的得力助手，包括做了望人、誘餌、助手和信使。其次，他是福爾摩斯的記錄人是偵探精彩活動的總結。福爾摩斯常常批評華生的文字過於動感情，譁眾取寵，認為它們不夠精確、客觀，不夠"科學"。
"偵探術，或者說應該是一門精確的科學，人們應該用同樣冷靜而並非感性的方法對它進行研究。你為它渲染上了一層傳奇色彩，結果就像是在幾何定理當中摻雜了戀愛傳奇一樣...有的事實可以省略，或者說要把重點顯示出來。這個案子裡唯一值得一提的，就是我如何從事實的結果當中找到原因，再經過周密的分析與推斷從而破解此案的過程。"
——福爾摩斯就華生"小冊子"的發言，《四簽名》
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