На месте Уотсон обнаружил, что Бэрримор и его жена странно ведут себя по ночам: подходят со свечой к окну, выходящему на болота. Уотсон и сэр Генри караулят у этого окна и видят, что дворецкий подает свечой сигналы, на которые со стороны болот кто-то отвечает.

Бэрримор сперва отказывается отвечать на вопросы под тем предлогом, что это чужая тайна, но в конце концов признается: его жена приходится сестрой беглому каторжнику Селдену, который прячется на болотах. С помощью свечи они договаривались о месте встреч, чтобы снабдить беглеца едой.

Вызнав у Бэрриморов их тайну, Уотсон и сэр Генри решают сей же час, ночью, пуститься в погоню за беглым каторжником и бросаются в направлении, откуда был виден ответный сигнал. Там они находят горящую свечу и видят убегающего человека, но не успевают его догнать.

Параллельно Уотсон ведет расследование, связанное с еще одним семейством, обитающим на болотах, — речь идет о Степлтонах. Джек Стэплтон, натуралист, поселился в этих местах со своей сестрой Берил.

Во время первой встречи Стэплтонов с Уотсоном Берил, выждав момент, когда брат отлучился, бросается к доктору, которого она принимает за сэра Генри, и умоляет его, ради его же блага, уехать из этих мест и вернуться в Лондон. При появлении брата ее поведение в корне меняется. Чуть позже, снова оказавшись с Уотсоном наедине, она извиняется, что приняла его за Генри Баскервиля, и просит выкинуть ее слова из головы. Но Уотсон укрепляется в убеждении, что молодая женщина живет в страхе. По ходу сюжета между сэром Генри и Берил Стэплтон зарождаются романтические отношения, о чем наследник Баскервилей рассказывает Уотсону. Он влюблен в Берил, верит, что эта любовь взаимна, и собирается жениться.

Но Стэплтону этот роман явно не по душе, и доктор Уотсон — который незаметно следует за Генри повсюду, чтобы, если понадобится, его защитить, — однажды становится свидетелем гневной сцены. Натуралист возмущен попытками Баскервиля ухаживать за его сестрой. Когда баронет рассказывает Уотсону подробности этой сцены, выясняется, что Берил воспользовалась возможностью ненадолго остаться с Генри наедине для того, чтобы предупредить его об опасности, грозящей ему на болотах, и умоляла его вернуться в Лондон.

В этих местах есть еще две интересные личности, они живут порознь, но связаны кровными узами, — старик по имени Френкленд и его дочь Лора Лайонс. У Френкленда кляузный характер, он только и знает, что затевать тяжбы с соседями из-за всякой ерунды. С дочерью он не общается: старик отказал ей от дома с тех пор, как Лора без его согласия вышла замуж за художника, с которым, правда, уже рассталась.

Услышав имя молодой женщины, Уотсон настораживается, ведь он узнал от Бэрримора, что сэр Чарльз отправился тем вечером в тисовую аллею не просто так, а получив таинственное послание, подписанное инициалами «Л. Л.», — обгоревший клочок этого письма миссис Бэрримор обнаружила в камине. Заканчивалось оно так: «Умоляю вас, как джентльмена, сожгите это письмо и будьте у калитки в десять часов вечера».

Уотсон приезжает к Лоре Лайонс и спрашивает, писала ли она Чарльзу Баскервилю. Та отпирается, но в конце концов признается, что это правда. Лора нуждалась в деньгах и назначила сэру Чарльзу столь позднюю встречу потому, что на следующий день он собирался надолго уехать в Лондон. А выбор места объяснятся тем, что ей не хотелось быть замеченной поздним вечером в доме неженатого мужчины.

Однако в итоге Лора на эту встречу не пришла, поскольку помощь, о которой она просила сэра Чарльза, оказалась ей уже не нужна. Следовательно, она ничего не знает об обстоятельствах его гибели. Молодая женщина отказалась подробнее объяснять Уотсону, почему встреча с баронетом потеряла для нее смысл.

Дополнительная загадка, которую предстоит решить Уотсону, — присутствие на болотах еще одного таинственного персонажа. Впервые Уотсон замечает его, когда они с сэром Генри гонятся за Селденом. На вершине гранитного столба они видят силуэт худощавого человека, который «стоял, чуть расставив ноги, скрестив руки на груди, опустив голову, и словно в раздумье смотрел на царство торфа и гранита, которое лежало перед ним». И это не мог быть Селден: тот убежал в другую сторону.

Существование этого незнакомца подтверждает и Бэрримор, который сам его не видел, но слышал о нем от Селдена. По мнению каторжника, странный незнакомец от кого-то прячется, но на преступника непохож. Это, скорее, джентльмен, он живет в одной из каменных пещер на склонах холма, а еду и все необходимое ему носит мальчишка.

Благодаря Френкленду, который регулярно осматривает окрестности в подзорную трубу, Уотсон нападает на след того мальчишки — теперь он увидел его собственными глазами. Доктор отправляется в ту же сторону, куда ушел мальчик, и обнаруживает убежище незнакомца, но не застает его там. Уотсон подстерегает эту загадочную личность, наконец раздаются шаги — и тут снаружи слышится голос Холмса: «Сегодня такой чудесный вечер, дорогой Уотсон <…> Зачем сидеть в духоте? На воздухе гораздо приятнее».

Итак, таинственный незнакомец оказался Шерлоком Холмсом — он объясняет Уотсону, что задержался в Лондоне не ради дела о шантаже, как сообщил сначала: он просто не хотел спугнуть преступников и извещать их о том, что идет по следу. Он внимательно читал отчеты Уотсона, но предпочел не сообщать ему о своем приезде, чтобы друг невольно его не выдал.

Сыщик делится с Уотсоном первыми результатами своих поисков. Оказывается, Лора Лайонс — любовница Стэплтона, а сам он вовсе не брат Берил, а ее муж. Холмс выяснил прошлое натуралиста: обнаружилось, что тот был директором частной школы на севере Англии, под его руководством это заведение разорилось, и Стэплтону пришлось сбежать.

По мнению Холмса, Стэплтон и есть их противник — это он убил Чарльза Баскервиля и был тем самым незнакомцем, что следил за сэром Генри и доктором Мортимером в Лондоне. Вот фрагмент беседы Уотсона с сыщиком:

— Еще один, последний, вопрос, Холмс, — сказал я, вставая. — Нам нечего скрывать друг от друга. Что все это значит? К чему он ведет?

Холмс ответил мне глухим голосом:

— К убийству, Уотсон… хладнокровно обдуманному убийству. Не допытывайтесь о подробностях. Стэплтон затягивает в свои сети сэра Генри, а я затягиваю его самого. Он почти у меня в руках, с вашей помощью. Теперь нам угрожает только одна опасность: он может нанести удар первым.

Сыщик угадал на редкость точно. Только Холмс с Уотсоном успели встретиться, как случилась новая трагедия. Пока друзья обсуждают загадочное дело, издали доносятся вопли и собачье рычание. Они бросаются на крик и обнаруживают убитого, которого, взглянув на его одежду, принимают за Генри Баскервиля.

Холмс в ужасе от собственной недальновидности и клянет себя за медлительность — но потом они переворачивают мертвеца и узнают в нем беглого каторжника Селдена. На нем костюм, полученный от сестры, миссис Бэрримор, ведь сэр Генри отдал дворецкому свои старые вещи — это и сбило сыщика с толку.

Из-за этого костюма, заключает Холмс, Селден и погиб. Детектив делится с Уотсоном своими догадками. По его мнению, за Селденом гналась собака, принадлежавшая Стэплтону. Это животное, убившее Чарльза Баскервиля, на сей раз ошиблось, его обманул нюх, а причиной стал запах одежды предполагаемой жертвы. Холмс уверен в виновности Стэплтона, но признает, что улик против него мало и доказать его причастность к убийствам будет сложно. Так что он ничем не выдает своих подозрений натуралисту, когда тит, привлеченный криками, натыкается на Холмса с Уотсоном на болоте.

В пользу версии Холмса говорят два факта. Во-первых, вскоре обнаруживается поразительное сходство между Стэплтоном и портретом злосчастного Хьюго, висящим в Баскервиль-холле. Сыщик делает вывод, что Стэплтон тоже принадлежит к роду Баскервилей, и соответственно у него есть мотив для убийства: натуралист устраняет тех, кто стоит между ним и состоянием, которое он может унаследовать.