Лирический герой поэмы — интеллектуальный алкоголик Веня (Веничка) Ерофеев, едущий на электричке по 125-километровому железнодорожному маршруту из Москвы в Петушки к любовнице и ребёнку. Петушки — цель поездки — описываются рассказчиком как некое утопическое место.
Веничка был уволен с поста бригадира монтажников за «внедрение порочной системы индивидуальных графиков», где были представлены данные о количестве выпитого работниками спиртного перед работой и в рабочее время. В начале поэмы он, в глубоком запое, просыпается в неизвестном подъезде, после очередной неудачной попытки найти в Москве Кремль, и решает отправиться с Курского вокзала в Петушки, где его ждёт любовница и трёхлетний сын. Веничка, в муках дождавшись открытия магазина, тратит последние деньги на спиртное и садится в электричку.
В поезде он пускается в длинные монологи об алкоголе, истории, философии, культуре и политике, беседует с попутчиками и непрерывно пьёт с ними всё, что содержит спирт и хоть как-то проходит в желудок. Выпитое приводит к погружению в мир грёз, где Веничка становится предводителем революции в Петушинском районе.
Когда Веничка время от времени просыпается, ему являются странные галлюцинации, вроде Сфинкса — существа без ног, без хвоста и без головы, который, тем не менее, дерётся именно хвостом и головой, обладает, как сказано в книге, «бандитскою рожей» и задаёт Веничке абсурдные с позиций здравого смысла, но с точки зрения математики правильно поставленные и имеющие однозначное решение загадки (например, подсчитать, сколько раз в год знаменитый ударник Алексей Стаханов ходил по малой и по большой нужде, если учесть, что он трезвым ходил два раза в день по малой нужде и один раз в два дня — по большой, а пьяным — четыре раза в день по малой и ни разу — по большой, и что у него 312 дней в году был запой), причем Веничка их воспринимает на свой счёт. Он не может разгадать загадки, и Сфинкс говорит, что не пустит Веничку в Петушки.
Сфинкс волочет Веничку в тамбур, где на запотевшем стекле чьим-то пальцем выведено хуй, и Веничка, выглядывая из окна, по направлению движения поезда начинает понимать, что едет из Петушков в Москву — пока он спал, электричка успела побывать в Петушках и начать путь назад. В итоге он снова попадает в Москву, где за ним гонятся четверо неизвестных (не исключено, что они тоже Веничкины галлюцинации). Они настигают героя в одном из подъездов и вонзают ему шило в горло (в 1990 году сам автор поэмы умер от рака горла). «С тех пор я не приходил в сознание, и никогда не приду».
