本书可分为两部分：第一部分主要介绍案情，写的是华生医生从战场因受伤回到英国后，在一次偶然的机会下认识了要和他共同租房的福尔摩斯。有一天，福尔摩斯接到了格雷格森上校的来信邀请他去破一件案子，于是他便与华生一同前往劳瑞斯顿街的凶案现场，在那，他们在一座无人居住的空房子里发现一具没有外伤的尸体，死者是美国人。现场的墙壁上用鲜血赫然写着“RACHE”。同时，还发现了一枚滚落的戒指、两种不同的脚印、几处墙上的指痕，之后，经过福尔摩斯细致的调查和缜密的推理，终于找到了凶手。第二部分主要回忆了凶手之前在美国与死者的一些恩怨情仇，解释了凶手的杀人动机，是故事变得更加圆满，组成了《血字的研究》这个有关爱与复仇的惨案。