Сюжет романа представлен в форме писем главного героя, молодого человека по имени Старк Монро, выпускника английского медицинского института, своему другу Герберту Суонборо, живущему в Америке. Старк собирается открыть свою практику — и найти собственное место в жизни.
«Загадка Старка Монро» является романом практически полностью автобиографическим, а его персонажи, за редкими исключениями, имеют своих реальных прототипов. Так, например, мать Старка была списана с матери писателя, Мэри Дойл; история знакомства главного героя с Виннифред Ла Форс и его женитьба на ней — история встречи самого писателя и его первой жены Луизы Хокинз; младший брат Старка, Пол — младший брат Конан Дойла Иннес; Джеймс Каллингворт, приятель Старка и его партнер по работе, списан с университетского знакомого Конан Дойла Джорджа Бадда.