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福尔摩斯侦探的主要思路是溯因推理。福尔摩斯故事常常是他“演绎法”才华的展示。对于逻辑学家和对逻辑有兴趣的人来说，分析福尔摩斯的“演绎法”是蛮有意思的。“福尔摩斯演绎法”看上去像是从实践原则中直接得出，根据细心观察，如福尔摩斯研究各种烟灰，或是从最佳解释中做出推论。从福尔摩斯那里，我们可以常常听到：“如果你把所有不可能的刨去，那么剩下的，无论多么难以置信，肯定不错。”
福尔摩斯直白的原理的形式是“如果p，那么q”，其中“p”代表一些观察证据，“q”是证据所指代的。但有时也会有中间地带。在《波希米亚丑闻》当中，福尔摩斯观察浑身湿漉漉的华生，称这是“年轻而没有经验的女佣人做的”。华生倍感惊奇，问福尔摩斯是怎么知道的，福尔摩斯回答：
这些事本身很简单，我的眼睛告诉我，在你左脚那只鞋的里侧，也就是炉火刚好照到的地方，其面上有六道几乎平行的裂痕。很明显，这些裂痕是由于有人为了去掉沾在鞋跟的泥疙瘩，粗心大意地顺着鞋跟刮泥时造成的。因此，你瞧，我就得出这样的双重推断，认为你曾经在恶劣的天气中出去过，以及你穿的皮靴上出现的特别难看的裂痕是伦敦年轻而没有经验的女佣人做的。至于你开业行医嘛，那是因为如果一位先生走进我的屋子，身上带着碘的气味，他的右手食指上有硝酸银的黑色斑点，他的大礼帽右侧面鼓起一块，表明他曾藏过他的听诊器，我要不说他是医药界的一位积极分子，那我就真够愚蠢的了。
在这个案例中，福尔摩斯使用了几点逻辑：
如果鞋子一边的皮革被平行刮伤了，那就是有人为了去除泥点子划的。
如果伦敦医生的鞋子被划了，那么这是女仆做的。
如果把鞋子划伤了，那这个人就是笨手笨脚的。
如果他的鞋子沾满了泥点子，那他可能在雨中行走，被淋了个透。
通过应用上述观察原理，福尔摩斯可以从观察中得出他的结论“华生的鞋子一侧有几乎平行的裂痕”即：
“华生的女佣人年轻而没有经验”，“华生刚在倒霉的天气里淋了雨”。
演绎推理可以令福尔摩斯出众地解释陌生人的职业，例如在《血字的研究》中对退役陆战队军官的观察；《红发会》中一名木匠从船上退役，做起了典当铺生意；《希腊语译员》中的台球记分员和退役的炮兵军士。类似地，福尔摩斯会观察其它物件，从中得出关于物主的信息，如在《四签名》当中观察华生表、一顶帽子，手杖，一个烟斗等。
道尔并没有把福尔摩斯描述成为永无谬论的人，在这一点上他格外小心，这也是《黄色脸孔》的中心主题。在故事的末尾，恢复冷静的福尔摩斯告诉华生：“如果以后你觉得我过于自信我的能力，或在办一件案子时下的功夫不够，请你最好在我耳旁轻轻说一声‘诺伯里’，那我一定会感激不尽的。”。
福尔摩斯擅长乔装打扮。在几个故事中，他通过伪装来搜集证据，以至于连华生也一并被骗了过去，如《米尔沃顿》、《空屋》、《歪唇男人》、《波希米亚的丑闻》。在其它故事当中，福尔摩斯假装受伤，如《垂死的侦探》和《波希米亚的丑闻》。在之后的故事当中，华生称“舞台上少了一位绝佳的演员...当[福尔摩斯]成为犯罪高手时”意思是福尔摩斯伪装水平之高，连华生自己也被骗的晕头转向。
“侦探术，或者说应该是一门精确的科学，人们应该用同样冷静而并非感性的方法对它进行研究。你为它渲染上了一层传奇色彩，结果就像是在几何定理当中掺杂了恋爱传奇一样...有的事实可以省略，或者说要把重点显示出来。这个案子里唯一值得一提的，就是我如何从事实的结果当中找到原因，再经过周密的分析与推断从而破解此案的过程。”
——福尔摩斯就华生“小册子”的发言，《四签名》
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