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.

Кроме того, Холмс допрашивает Лору Лайонс. Сперва он объявляет ей, что Стэплтон женат, и это приводит молодую даму в ужас. Она признается, что письмо к Чарльзу Баскервилю с просьбой прийти в тисовую аллею написано под диктовку Стэплтона и что натуралист пообещал пойти на эту встречу вместо нее, а потом, после смерти Чарльза Баскервиля, велел ей держать язык за зубами.

Несмотря на эти улики, вроде бы указывающие на причастность Стэплтона к преступлениям, Холмс не может доказать его вину и поэтому решает заманить натуралиста в ловушку. Он объявляет Стэплтону, что они с Уотсоном возвращаются в Лондон, и предлагает Генри Баскервилю принять от Стэплтонов приглашение на обед, куда баронету предстоит отправиться одному.

Сам Холмс в компании Уотсона занимает наблюдательный пост неподалеку от дома Стэплтонов. Несмотря на густой туман, им видно, что Стэплтон и Генри Баскервиль сидят за столом, а Берил в комнате нет. Он них не ускользает и то, что Стэплтон направляется к небольшому сарайчику рядом с домом, откуда доносятся загадочные звуки.

После обеда Генри покидает дом натуралиста, а Холмс и Уотсон следят за ним издалека, стараясь, несмотря на туман, не терять его из виду. Вдруг раздается громкий топот, и они видят несущегося прямо на них огромного пса, глаза которого сверкают, как угли, а морда и лапы полыхают огнем. Преодолев страх, Холмс и Уотсон стреляют в собаку, ранят ее, но она, не останавливаясь, бросается на сэра Генри и рвется к его горлу. Тут Холмс всаживает в нее все пули из своего револьвера, и чудовище падает замертво.

Холмс и Уотсон устремляются в погоню за Стэплтоном и сперва бегут в его дом. Натуралиста там уже нет, но они слышат шум на втором этаже и находят в запертой на ключ спальне Берил Стэплтон: она привязана простынями к балке посреди комнаты, рот заткнут кляпом. Когда ее освобождают, она падает в обморок. От нее Холмс и Уотсон узнают, что Стэплтон, скорее всего, укрылся в своем убежище на болотах.

Друзья отправляются туда, но никого не находят, зато Холмс замечает на кочке среди трясины башмак, который натуралист похитил в Лондоне у Генри Баскервиля. Потом они обнаруживают на опоясанном топью островке следы пребывания собаки — именно там Стэплтон прятал ее между вылазками.