После смерти папы римского происходит серия загадочных преступлений. В ЦЕРНе после запуска большого адронного коллайдера убит один из ученых и похищен контейнер с антиматерией. В Риме похищены четверо кардиналов — фаворитов, претендующие на пост папы римского. В штаб-квартиру швейцарских гвардейцев прислано письмо с угрозой от таинственных иллюминатов. ЦЕРН обращается к Роберту Лэнгдону за помощью в раскрытии убийства, а Римская католическая церковь обращается в ЦЕРН, поскольку на изображении контейнера видно клеймо лаборатории.
Лэнгдон убеждён, что мишень преступного сообщества следует искать в Ватикане, и вступает в контакт со швейцарской гвардией, в задачи которой входит обеспечение безопасности понтифика. В путешествии в Ватикан его сопровождает приёмная дочь покойного профессора по имени Виттория. Она должна заменить аккумулятор в контейнере с антивеществом; иначе через 24 часа аккумулятор разрядится и произойдёт взрыв невероятной силы. Папский престол находится после смерти последнего папы в состоянии Sede Vacante, а в Сикстинской капелле заседает конклав, который должен назвать имя нового предстоятеля католической церкви. Загвоздка в том, что четырёх главных кандидатов на престол похитили.
Лэнгдон не сомневается, что за похищениями стоят иллюминаты. Он подозревает, что похищенные контейнер и кардиналы находятся в месте тайных собраний иллюминатов. В старину желающие вступить в ряды сообщества должны были найти дорогу к этому месту при помощи ключей, оставленных иллюминатами в четырёх уголках Рима, составляющих вершины креста. С помощью единственного сохранившегося в ватиканских архивах экземпляра труда Галилея (который якобы был одним из иллюминатов), Лэнгдону удаётся шаг за шагом вычислить названия искомых церквей. Ключами к разгадке оказываются произведения великого Бернини — якобы одного из иллюминатов. В каждой вершине креста Лэнгдон находит труп одного из похищенных кардиналов с выжженной на его груди калёным железом амбиграммой одной из первичных стихий:
Пирамидальное надгробие Агостино Киджи в церкви Санта-Мария-дель-Пополо — отправная точка «пути просвещённых».
В крипте спроектированной Рафаэлем и оформленной Бернини капеллы Киджи при церкви Санта-Мария-дель-Пополо он обнаруживает погребённого заживо кардинала со ртом, забитым землёй. На его груди — амбиграмма слова «земля».
На берниниевской площади перед собором св. Петра он находит агонизирующего кардинала с проткнутыми лёгкими. На его груди — амбиграмма слова «воздух».
В церкви Санта-Мария-делла-Витториа, где установлена знаменитая берниниевская статуя «Экстаз святой Терезы», Лэнгдон застаёт нанятого иллюминатами киллера в тот момент, когда он подвешивает над костром третьего кардинала, на груди которого выжжена амбиграмма слова «огонь». В перестрелке погибают сопровождающий профессора полицейский, Виттория попадает в заложники к киллеру, но самому Лэнгдону удается скрыться.
Четвёртая точка на «пути просвещённых» — Берниниев фонтан Четырёх рек на пьяцца Навона; в нём убийца пытается утопить связанного кардинала, на груди которого — амбиграмма слова «вода».
Наконец, «путь просвещённых» приводит Лэнгдона к предполагаемому месту собраний иллюминатов — древнему папскому замку Святого Ангела. Воспользовавшись Пассетто, он проникает в Ватиканский дворец и расправляется с киллером. Становится известно, что камерленго (священник, руководящий Ватиканом в период вакантности святейшего престола) уединился для частной аудиенции с Колером. Это укрепляет их подозрения, что именно Колер стоит во главе заговора иллюминатов. На крик камерленго дверь в его покои взламывают, Колер погибает в перестрелке, успев перед смертью передать Лэнгдону видеопленку.
Между тем до взрыва антивещества остаются считанные минуты. Полиция начинает эвакуацию кардиналов из Ватикана. Камерленго на выходе из собора испытывает видение и бросается к склепу св. Пётра, где, как ему открылось свыше, и находится контейнер с антивеществом. Завладев контейнером за пять минут до взрыва, он и Лэнгдон вскакивают в вертолёт и направляют его ввысь. Взрыв происходит на огромной высоте и потому безвреден для жителей Рима. Парашют спасшего город камерленго опускается на купол собора св. Петра, где его приветствуют толпы благодарного народа. Кардиналы в порыве эмоций собираются избрать камерленго новым папой.
Тем временем на острове Тиберина приземляется и чудом выживший при взрыве Лэнгдон. Он собирает кардиналов и демонстрирует им оставленную Колером плёнку. Из неё становится ясно, кто в действительности стоял за всеми преступлениями. На встрече с отцом Виттории по поводу экспериментов с получением антивещества покойный папа одобрил их ввиду того, что именно наука дала ему сына. Эти слова навели камерленго на мысль о том, что папа некогда согрешил с женщиной, нарушив обет целибата, и потому недостоин жизни. Он отравил понтифика и, чтобы быть избранным его преемником, организовал похищение антивещества и кардиналов, а потом и спасение Рима от взрыва, прикрываясь именем общества иллюминатов, в действительности давно не существующего.
На последних страницах книги выясняется, что ребёнок папы был зачат «безгрешно» — путём искусственного оплодотворения — и что этим ребёнком был сам камерленго. В порыве раскаяния последний совершает самосожжение при стечении народа на площади св. Пётра.
