Главный герой — Чарли Гордон, 37-летний мойщик полов, служащий компании-производителя пластиковой тары (в романе — 32-летний умственно отсталый уборщик в хлебопекарне), добровольно участвует в эксперименте по улучшению интеллекта.
Искусственное улучшение интеллекта путём хирургической операции — оригинальное открытие двух учёных: доктора Штраусса и доктора Немюра. После успешной операции над мышью по кличке Элджернон они решают провести аналогичную операцию над каким-нибудь умственно отсталым человеком. Выбор останавливается на Чарли, так как он показывает стремление научиться лучше читать и писать, стать умнее.
Рассказ выполнен в форме отчётов о происходящем от лица Чарли. При повышении его интеллектуальных способностей в тексте постепенно исчезают многочисленные орфографические и пунктуационные ошибки, усложняется стилистика.
В результате проведенной операции IQ Чарли стремительно растёт с 68 до 200. В отчетах Чарли отмечает свое изменившееся понимание происходящего: осознает реальное отношение к нему людей (понимает, кáк над ним смеялись на работе те, кого он считал своими друзьями), получает новые знания.
Чарли чувствует особенную привязанность к Элджернону, понимая, что Элджернон — единственное существо с судьбой, похожей на его собственную. С самого начала опыта с Чарли Элджернон и Чарли соревновались в прохождении лабиринтов — мышь в коробке, а человек на бумаге. Сначала Элджернон всё время выигрывал, что сильно злило Чарли. Он очень обрадовался, когда наконец победил Элджернона. После этого Чарли старался подружиться с мышью.
Скорость обучения Чарли во много раз превосходит скорость обучения обычных людей — и уже через несколько недель он свободно знал несколько языков и с удовольствием читал техническую литературу. Его бывшая учительница из школы для умственно отсталых, Алиса Кинниан, сначала радуется успехам Чарли, но потом начинает от него отдаляться — она уже не в состоянии его понять. В романе, в отличие от рассказа, разработана сюжетная линия романтических отношений Чарли и учительницы.
На своей работе Чарли предложил новую модель размещения станков, что позволило бы сэкономить 10 тысяч долларов ежегодно. Но восторг директора не был поддержан рабочими, и они подписали прошение об увольнении Чарли. Они не были готовы общаться с Чарли после изменения его личности. Чарли понимает, что тоже не может поддерживать с ними дружеские отношения.
В романе присутствуют также воспоминания детства Чарли, его встречи с родителями и сестрой, запоздалое осознание себя мужчиной.
Ещё через месяц уровень интеллекта Чарли становится выше, чем уровень интеллекта профессоров, проводящих этот эксперимент. Для Чарли очевидны их ограниченность и заблуждения. И когда у подопытной мышки начинают наблюдаться признаки регрессии, он решает сам продолжить исследование и использовать всю силу своего интеллекта, чтобы найти решение этой проблемы.
Несмотря на видимую первичную удачу эксперимента, поведение мыши даёт серьёзный повод для беспокойства — её интеллект начинает угасать столь же быстро, как и нарастал. Через некоторое время Элджернон умирает. При вскрытии видно, что его мозг уменьшен, извилины сглажены. Чарли попросил не сжигать труп Элджернона, как это обычно делали с лабораторными животными, и похоронил его сам. Исследования Чарли показали, что после операции, разработанной Штраусом и Немюром, стремительная регрессия неизбежна.
Становится понятной дальнейшая судьба Чарли — он обречён на возвращение в исходное психическое состояние.
В романе он до последнего пытается, используя свой всё еще могучий интеллект, найти положительный выход из этой ситуации. Он смутно представляет, в каком направлении следует начинать исследования, которые могут помочь всем людям справиться с проблемой слабоумия, но понимает, что у него нет времени на их подготовку. Умственный уровень Чарли снижается так же быстро, как и повышался. Чарли испытывает глубокую депрессию и думает о самоубийстве, но острота его переживаний уменьшается вместе с интеллектом. В романе его IQ становится в итоге даже немного ниже, чем был в начале. Он возвращается к своей прежней работе, хотя и боится, что теперь над ним будут смеяться больше, чем прежде. Прежние товарищи по работе, которые всегда устраивали над ним злые шутки (они даже придумали выражение "валять Чарли Гордона"), а после операции отвернулись от него, теперь относятся к нему с добротой и жалостью. Они заступаются за Чарли, когда новый работник начинает издеваться над ним. Тем не менее Чарли решает навсегда уехать из родного города после того, как по рассеянности снова приходит в школу для взрослых к мисс Кинниан и видит, как она плачет.
Рассказ же заканчивается на относительно оптимистичной ноте — Чарли старается ни о чём не жалеть и желает добра всем, кто пытался ему помочь. Он чувствует благодарность: «я узнал много разных вещей а раньше я никогда даже незнал что они есть на свете и я благодари за то что я хоть наминутку это увидел». Он помнит, что получал огромное удовольствие, когда читал «синюю книжку с порваной обложкой», и решает обязательно «все время старатца стать умным чтобы опять было так хорошо».
