«Машина времени» стала одним из первых литературных произведений, в которых описывается путешествие человека во времени с помощью техники.
Основная часть этого сравнительно небольшого по объёму произведения описывает мир будущего (802701 год), в который отправляется Путешественник во Времени. Этот мир представляет собой своеобразную антиутопию — научный прогресс привёл к деградации человечества. В книге описаны два вида существ, в которые превратился человеческий вид — морлоки и элои.
Автор от первого лица описывает несколько дней, проведённых в этом мире Путешественником во Времени. После встречи с элоями он, не подозревая о морлоках, спокойно оставляет свою Машину на месте её «остановки» неподалёку от мемориала Белого Сфинкса, а сам присоединяется к элоям и пытается наладить с ними языковой контакт. Одновременно он старается осознать структуру и сущность нового человеческого общества и приходит к первым, достаточно половинчатым, выводам, что научно-технический прогресс на Земле остановился и человечество достигло состояния абсолютного покоя.
Тем временем морлоки, которые, несмотря на утрату интеллекта, сохранили чисто механический интерес к технике и способность её обслуживать, находят Машину Времени и скрывают её в пустотелом пьедестале Белого Сфинкса. Обнаружив пропажу, Путешественник чуть было не сходит с ума, но в конце концов успокаивается и понимает, что Машина не могла пропасть сама собой, а значит, её можно найти. Ему удаётся обнаружить следы переноски Машины, ведущие к дверям в пьедестале Сфинкса, однако все попытки узнать что-либо у элоев наталкиваются на стену полного непонимания и отторжения.
В это же время у Путешественника появляется подруга из числа элоев — Уина, которую он спас, когда она тонула во время купания в реке. К его полной неожиданности, Уина неложно привязывается к Путешественнику и проводит с ним практически всё время, в определённой степени даже докучая ему. Тем не менее, он не решается оттолкнуть её выражения чувств, сам испытывая подавляющее его одиночество.
От Уины Путешественник впервые узнаёт о том, что в новом человеческом мире всё обстоит не так гладко, как кажется на первый взгляд — например, казавшееся ему навсегда утраченным элоями чувство страха на самом деле осталось в форме необъяснимой и всеобщей боязни темноты. Исследуя причину этого феномена, Путешественник совершенно случайно видит ночью нескольких морлоков, а затем впервые сталкивается с одним из них при свете дня в полуразрушенном тёмном здании, имеющим выход в Подземный Мир. Пытаясь понять его назначение, Путешественник отваживается на рискованный шаг — спуститься в Подземный Мир через один из вентиляционных колодцев. Достигнув дна, он попадает в гигантскую подземную пещеру, заполненную действующими машинами и механизмами, которые обслуживают орды морлоков, однако неподготовленность чуть было не приводит Путешественника к гибели, и лишь чудом ему удаётся спастись и вернуться в Верхний Мир (то есть на поверхность земли).
Путешествие под землю расставило всё на свои места, особенно после того, как Путешественник понял, чем именно питаются морлоки. Так, морлоки в представлении Путешественника (и автора) оказываются потомками рабочих, всю свою жизнь обитающими в Подземном мире и обслуживающими многочисленные машины и механизмы. Они намного меньше и слабее современного человека, покрыты шерстью и не переносят солнечного света. Элои — потомки прежней элиты общества, слабые и хрупкие существа, совершенно не приспособленные к труду. И те, и другие за долгие тысячелетия существования, не требующего умственной деятельности, практически лишились разума, превратившись в полуживотных. Долгие тысячелетия морлоки снабжали элоев всем необходимым, но со временем пища в Подземном Мире закончилась и морлоки стали в безлунные ночи выходить на поверхность, чтобы похищать элоев и употреблять в пищу их мясо.
Желая как можно быстрее выбраться из этого страшного времени, взяв с собой Уину, он ищет возможность взломать стены пьедестала Сфинкса и в поисках инструментов попадает вместе с Уиной в Зелёный Фарфоровый Дворец — местное заброшенное хранилище человеческой мудрости и технологий. Здесь он находит необходимые средства и вооружается, однако на обратном пути к Сфинксу через ночной лес попадает в окружение целого полчища морлоков. Пытаясь отбиться от них огнём, Путешественник устраивает грандиозный лесной пожар, истребивший множество преследователей, но при этом безвозвратно теряет Уину.
На утро следующего дня Путешественник достигает Сфинкса и неожиданно для себя находит двери его пьедестала открытыми, а Машину Времени — внутри. Поняв замысел морлоков — используя Машину в качестве приманки, заманить Путешественника в ловушку — он входит в камеру под монументом, где морлоки пытаются было схватить его, закрыв вход в пьедестал; однако Путешественник отбивает их натиск и перемещается по времени в будущее.
Следующую остановку он совершает, вероятно, спустя несколько сотен миллионов или даже миллиардов лет (поскольку Солнце в это время достигает стадии красного гиганта, а периодическое торможение Земли завершилось), обнаружив полное отсутствие человечества и общий упадок жизни на земле. Движимый далее уже чисто научным интересом, Путешественник продвигается во времени ещё на 30 миллионов лет вперёд, однако, ощутив необычайную физическую усталость и будучи угнетён психологически от созерцания вида медленно умирающей Земли, возвращается назад и в конечном итоге попадает обратно в тот же самый день, в который начал своё Путешествие, но на несколько часов позже исходного времени.
Рассказ Путешественника, составляющий наибольшую часть романа Уэллса, его собеседниками воспринимается с недоверием, поэтому уже на следующий день он, подготовив необходимые приборы и инструменты, отправляется в новое Путешествие по Времени с целью привезти из него соответствующие доказательства, — из которого уже никогда не возвращается.
