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Sherlock Holmes viene coinvolto da Scotland Yard nel caso dell'omicidio di John Douglas, per il quale è stato arrestato un giovane. Convinto della sua innocenza, Holmes parte con Watson per il castello dove è avvenuto il delitto.

Holmes e Watson incontrano Ivy Douglas sulla tomba del marito. La donna racconta che, dopo l'incontro con Barker, Douglas era diventato depresso e tormentato e aveva chiesto che fosse appeso un quadro intitolato «La valle della paura».

Con l'aiuto dell'ispettore americano Mason, Holmes ricostruisce una rete di minacce e ricatti legata al passato della vittima e ai suoi rapporti con pericolosi criminali statunitensi.

Sir Charles Baskerville viene trovato morto nella brughiera. Il dottor Mortimer chiede a Holmes e Watson di proteggere l'erede Sir Henry, mentre Watson nota la presenza di un misterioso uomo che sembra sorvegliarli.

Holmes e Watson proseguono l'indagine sulla morte di Sir Charles e sulla minaccia che incombe su Sir Henry. L'interrogatorio del dottor Mortimer non fornisce però i risultati sperati.

Holmes prepara una trappola e chiede a Sir Henry di comportarsi normalmente e di rientrare da solo. Nella brughiera, Holmes, Watson e la polizia attendono il responsabile e affrontano infine il terribile mastino.