Действие романа начинается в эпоху разгара Культурной революции в КНР. Героиня, женщина-астрофизик Е Вэньцзе, становится свидетелем преследований и убийства отца, вся вина которого заключается в защите физики от маоистской идеологии. В это же время, китайское правительство запускает сверхсекретный проект «Красный берег», цель которого — поиск внеземных цивилизаций посредством создания огромного радиотелескопа и отправки в космос радиосигналов. Привлеченной к проекту Е Вэньцзе удается, используя Солнце как ретранслятор, отправить в космос послание инопланетянам. Она получает из космоса ответное послание-предупреждение с просьбой больше никогда не выходить на связь. Несмотря на это, Е Вэньзце использует «Красный берег», чтобы пригласить инопланетян на Землю.
В начале XXI века второй герой, нанотехнолог Ван Мяо, становится свидетелем череды странных событий в мировой науке — эксперименты на ускорителях частиц дают противоречивые результаты, ученые совершают самоубийства. На самого Ван Мяо тоже оказывается давление — ему повсюду мерещатся цифры с пугающим обратным отсчетом, которые исчезают лишь тогда, когда Ван Мяо прерывает свои исследования. Военные и спецслужбы полагают, что некто пытается затормозить научный прогресс на Земле. Ключом к разгадке является компьютерная игра «Задача трёх тел», к которой присоединяется и герой. «Задача трёх тел», используя образы земных исторических деятелей, таких, как Мо-Цзы, Исаак Ньютон и Альберт Эйнштейн, рассказывает историю мира с тремя солнцами — планеты Трисолярис, находящейся на неустойчивой орбите в тройной звездной системе Альфа Центавра. Цивилизации Трисоляриса развиваются и погибают в беспорядочно наступающих «Эрах Хаоса», когда планета оказывается слишком близко к звездам или слишком далеко от них.
Как оказывается, через игру «Задача трёх тел» вербует сторонников Движение «Земля — Трисолярис» — своего рода «пятая колонна», организация, созданная Е Вэньцзе и американским миллиардером-алармистом Майклом Эвансом с целью отдать планету в руки трисоляриан. Военные, используя изобретение Ван Мяо — нитевидные нанокристаллы — уничтожают передвижную базу Движения, корабль «День гнева». Завладев архивом Движения, герои понимают, что находятся в центре уже идущего инопланетного вторжения. Трисоляриане отчаялись найти решение математической задачи трёх тел, которое могло бы обеспечить находящемуся на грани гибели Трисолярису стабильную орбиту. В сигнале Е Вэньцзе тоталитарная власть Трисоляриса увидела шанс на спасение — с Альфы Центавра отправлен флот космических кораблей, который прибудет к Земле через 450 лет. Чтобы подготовить свое появление на планете, трисоляриане бомбардировали Землю «софонами» — вездесущими и невидимыми элементарными частицами с искусственным интеллектом, призванными блокировать развитие земной науки. В финале романа трисоляриане через невидимый софон обращаются напрямую к раскрывшим заговор героям с коротким презрительным посланием «вы клопы». Полицейский Ши Цян приободряет своих товарищей-ученых, показывая им саранчу — насекомых, которых люди не в состоянии истребить, даже несмотря на превосходство в технологиях; таким образом, и человечество способно выжить в борьбе с многократно превосходящим их в развитии врагом.
