في أول قصصه، "دراسة في اللون القرمزي"، قُدِمَت بعض المعلومات عن ماضي هولمز. قُدِم في 4 مارس 1881م على أنه طالب كيمياء مستقل، له مجموعة واسعة من الاهتمامات الغريبة، هذه الاهتمامات تصب في مجرى مساعدته ليصبح خارقاً في حل الجرائم. عندما ظهر لأول مرة، كان يصيح فرحًا لأنه استطاع تطوير أسلوب جديد لكشف بقع الدماء، في قصص أخرى يظهر منغمسًا في تجارب كيميائية في منزله لدرجة أن الغرفة تعمها أبخرة كريهة الرائحة. في "سفينة غلوريا سكوت" ذكر هولمز أن ثناء والد أحد أصدقائه على مهاراته في التحقيق ساهم في اختياره هذا المجال. يظهر هولمز ملتزمًا بشكل صارم بالأساليب العلمية، والمنطق، وقوة الملاحظة، والاستنتاج.
في "دراسة في اللون القرمزي"، ادعى هولمز أنه لا يعرف أن الأرض تدور حول الشمس، معللًا ذلك بأن معلومات كهذه لا علاقة لها بعمله، ومباشرة بعد سماعه تلك المعلومة من واطسون، قال إنه سيحاول فورًا نسيان هذه الحقيقة العلمية. قال هولمز أنه يؤمن أن العقل لديه قدرة تخزين محدودة، ولذا فإن تعلم الأشياء عديمة الفائدة سيعيق تعلمه للأشياء المفيدة.في نفس الرواية، وضع دكتور واطسون تقييمًا لمهارات هولمز قائلًا:
معارفه في الأدب – صفر.
معارفه في الفلسفة – صفر.
معارفه في علم الفلك – صفر.
معارفه في السياسة – ضعيفة.
معارفه في علم النبات – متغيرة. جيدة في الحشيش والأفيون، والسموم عامة، لا يعرف شيئاً عن البستنة العملية.
معارفه في الجيولوجيا – عملية، لكن محدودة. يميز بلمحة بين أنواع التربة التربة المختلفة، وبعد النزهات أراني لطخات على بنطاله، وأخبرني من أي مكان في لندن علقت به بواسطة لونها وكثافتها.
معارفه في الكيمياء – عميقة.
معارفه في علم التشريح – دقيقة، لكن غير منظمة.
معارفه في أدب الإثارة – هائلة. يظهر أنه يعرف كل تفصيل في أي رعب اُرتُكِب في القرن.
يعزف على الكمان بشكل جيد.
لاعب خبير بالعصا، ملاكم، ومبارز.
لديه معرفة جيدة وعملية بالقانون البريطاني.
في نهاية الرواية يظهر هولمز متقنًا اللغة اللاتينية، ولا يحتاج إلى ترجمة أثناء قراءة القصائد الرومانية الأصلية، رغم أن معرفة اللغات أمر ليس ذو فائدة كبيرة للمحقق، إلا أن كل طلبة الجامعات في ذلك الوقت كان يجب عليهم تعلم اللاتينية كجزء من دراستهم.
هذه القائمة التي كتبها واطسون تعارضها الأحداث في القصص اللاحقة، فمثلًا: يفترض بهولمز أنه لا يعلم شيئًا عن السياسة، إلا أنه في "فضيحة في بوهيميا" تذكر مباشرة هوية الكونت فون كارم. أيضًا بالرغم من قول واطسون أنه يفتقد الحس الأدبي، إلا أنه محادثاته كانت تزخر بمقولات من الكتاب المقدس، وكتب شكسبير، وكتب الأديب الألماني فون غوته، كما أنه اقتبس من رسالة فلوبير إلى جورج ساند المكتوبة باللغة الفرنسية، وفوق ذلك، ففي رواية "كلب آل باسكرفيل" استطاع هولمز تمييز أعمال الرسام الإيطالي-الأسترالي مارتن نوللير، والرسام الإنجليزي جاشوا رينولدس، وقد فسر هولمز ذلك قائلًا: "أعلم ماهو جيد بمجرد النظر إليه".
شرلوك هولمز أيضاً محلل شفرات كفء، ويقول لواطسون: "أنا متآلف مع كل أشكال الكتابة السرية بشكل جيد، وأنا نفسي مؤلف كتاب ثانوي حول الموضوع، حللت فيه مائة وستين شفرة منفصلة." حُلت إحدى الشفرات في مغامرة الرجال الراقصين، التي استخدمت سلسلة من الأشكال الأولية.
شفرة الرجال الراقصين
ويمكن اعتبار هولمز رائداً في علم الأدلة الجنائية الحديث لاستخدامه هذا العلم في قضاياه مثل:
تعرفه على الفروقات بين أنواع الآلات الكاتبة لفضح الاحتيال (قضية هوية).
توصله إلى جريمة باكتشافه قطعتين من البقايا البشرية (مغامرة صندوق الورق).
ملاحظته لبقايا بارود على الضحية (مغامرة ميدان ريغاتي).
ملاحظته نوع الرصاص المستخدم في جريمتين (مغامرة البيت الفارغ)
استخدامه بصمة الأصابع لتحرير رجل بريء (مغامرة باني نوروود)