Повествование ведётся от первого лица и составлено из отчётов, написанных главным героем.

32-летний умственно отсталый Чарли Гордон живёт в Нью-Йорке и работает уборщиком в частной пекарне, куда его устроил дядя. Своих родителей и младшую сестру он почти не помнит. Чарли ходит в спецшколу, где учительница Алиса Кинниан учит его читать и писать.

Однажды мисс Кинниан приводит его к профессору Немуру и доктору Штраусу. Они проводят эксперимент по повышению интеллекта, и им нужен доброволец. Мисс Кинниан предлагает кандидатуру Чарли, самого способного ученика её группы. Чарли с детства мечтает стать умным и охотно соглашается, хотя эксперимент связан с рискованной операцией. Психиатр и нейрохирург Штраус велит ему записывать свои мысли и ощущения в виде отчётов. В первых отчётах Чарли много ошибок.

Седьмого марта Чарли делают операцию. Некоторое время ничего не происходит. Он продолжает работать в пекарне и уже не верит, что станет умным. Работники пекарни издеваются над Чарли, но тот ничего не понимает, и смеётся вместе с теми, кого считает друзьями. Об операции он никому не рассказывает, и каждый день ходит в лабораторию делать тесты. 29 марта Чарли впервые проходит лабиринт быстрее Элджернона. Мисс Кинниан начинает заниматься с ним индивидуально.

1 апреля работники пекарни решают подшутить над Чарли и заставляют его включить тестосмеситель. Неожиданно у Чарли получается, и хозяин повышает его в должности. Постепенно Чарли начинает понимать, что для «друзей» он всего лишь клоун, над которым можно безнаказанно и зло пошутить.

Я достиг нового уровня развития. Но гнев и подозри­тельность стали первыми чувствами, которые я испытал к окружающему меня миру.

Прошлое Чарли, раньше скрытое от него, начинает проясняться.

Я похож на человека, который проспал полжизни, а теперь пытается узнать, кем он был, пока спал.

К концу апреля Чарли меняется настолько, что работники пекарни начинают относиться к нему подозрительно и враждебно. Чарли вспоминает о своей матери. Она не хотела признавать, что её сын родился умственно отсталым, била мальчика, заставляла учиться в обычной школе. Отец Чарли безуспешно пытался защитить сына.

Чарли влюблён в свою бывшую учительницу Алису Кинниан. Она совсем не так стара, как казалось Чарли до операции. Алиса младше его, и он начинает неумелые ухаживания. Мысль об отношениях с женщиной приводит Чарли в ужас. Виной этому мать, которая боялась, что её умственно отсталый сын причинит зло младшей сестре. Она вбила мальчику в голову, что к женщинам прикасаться нельзя. Чарли изменился, но засевший в подсознании запрет всё ещё действует.

Хозяин пекарни был другом дяди, обещал заботиться о Чарли и выполнил своё обещание. Однако теперь Чарли странно изменился, рабочие боятся его и грозятся уволиться, если Чарли останется. Хозяин просит его уйти. Чарли пытается поговорить с бывшими друзьями, но те ненавидят дурачка, который вдруг стал умнее их всех.

Разум вбил клин между мной и всеми, кого я знал и любил, выгнал меня из дома. Никогда ещё я не чувствовал себя таким одиноким.

Чарли не работает уже две недели. Он пробует спастись от одиночества в объятиях Алисы, но у них ничего не выходит. Гордон словно видит себя и Алису со стороны, глазами прежнего Чарли, который приходит в ужас и не позволяет им окончательно сблизиться. Гордон вспоминает, как сестра ненавидела и стыдилась его.

10 июня профессор Немур и доктор Штраус вылетают на медицинский симпозиум в Чикаго. Главными «экспонатами» на этом крупном мероприятии станут Чарли и мышь Элджернон. В самолёте Чарли вспоминает, как мать безрезультатно пыталась вылечить его, сделать умнее. Она потратила почти все семейные сбережения, на которые отец, продавец парикмахерского оборудования, хотел открыть собственную парикмахерскую. Мать оставила Чарли в покое, родив ещё раз и доказав, что способна иметь здоровых детей. Чарли же мечтал превратиться в нормального человека, чтобы мать наконец-то полюбила его.

Каждый день я узнаю о себе что-то новое, и воспоминания, начавшиеся с небольшой ряби, захлестывают меня десятибалльным штормом.

На симпозиуме Чарли обнаруживает такие обширные знания и высокий интеллект, что профессора и академики бледнеют на его фоне. Это не мешает профессору Немуру называть его «своим созданием» приравнивая Чарли к мыши Элджернону. Профессор уверен, что до операции Чарли был «пустой оболочкой» и не существовал как личность. Многие считают Чарли надменным и нетерпимым, но он просто не может найти своё место в жизни. На докладе, посвящённом операции по повышению интеллекта Гордон чувствует себя подопытным животным. В знак протеста он выпускает Элджернона из клетки, потом первым находит его и улетает домой.

Чарли снимает четырёх­комнатную меблированную квартиру недалеко от библиотеки. В одной из комнат он устраивает трёхмерный лабиринт для Элджернона. О своём местона­хождении Чарли не сообщает даже Алисе Кинниган. Вскоре он знакомится с соседкой — свободной художницей. Чтобы избавиться от одиночества и убедиться в своей способности быть с женщиной Чарли вступает с соседкой в связь. Прежний Чарли не мешает отношениям, поскольку эта женщина ему безразлична, он только наблюдает за происходящим со стороны.

Чарли находит отца, который развёлся с женой и открыл парикмахерский салон в бедном квартале. Он не узнаёт сына, а тот не решается открыться. Гордон обнаруживает, что сильно выпив, он превращается в умственно отсталого Чарли. Алкоголь выпускает на свободу его подсознание, которое всё еще не догнало стремительно растущий IQ.

Ничто в нас не исчезает без следа. Операция прикрыла Чарли тонким слоем культуры и образования, но он остался. Он смотрит и ждёт.

Удивительно, как люди высоких моральных принципов … никогда не позволяющие себе восполь­зоваться преимуществом над человеком, рождённым без рук, ног или глаз, … легко и бездумно потешаются над человеком, рождённым без разума.

Это побуждает Гордона продолжить научную деятельность, чтобы принести пользу таким людям. Приняв решение, он встречается с Алисой. Он объясняет, что любит её, но между ними встаёт маленький мальчик Чарли, который боится женщин, потому что мама била его.

Чарли начинает работать в лаборатории. У него нет времени на любовницу, и она от него уходит. У Элджернона начинаются непонятные приступы агрессии. Временами он не может пройти свой лабиринт. Чарли относит мышь в лабораторию. Он спрашивает профессора Немура, что они собирались делать с ним в случае неудачи. Оказалось, что для Чарли предназначалось место в государ­ственной социальной школе и лечебнице «Уоррен». Гордон посещает это заведение, чтобы знать, что его ждёт.

Элджернону становится хуже, он отказывается от еды. Чарли же достигает пика умственной активности.

Словно все знания, приобретённые мной в последние месяцы, соединились и вознесли меня на вершину света и понимания.

26 августа Гордон находит ошибку в расчетах профессора Немура. Чарли понимает, что вскоре у него начнётся умственная регрессия, такая же, как и у Элджернона. 15 сентября Элджернон умирает. Чарли хоронит его на заднем дворе. 22 сентября Гордон навещает свою мать и сестру. Он обнаруживает, что у матери старческий маразм. Сестре тяжело с ней, она рада, что Чарли их нашёл. Сестра не подозревала, что мать избавилась от Чарли ради неё. Гордон обещает помогать им, пока сможет.

20 ноября Чарли возвращается в пекарню. Работники, которые раньше издевались над ним, теперь опекают и защищают его. Однако Чарли ещё помнит, что был умным. Он не хочет, чтобы его жалели, и отправляется в «Уоррен». Он пишет прощальное письмо мисс Кинниан, в котором просит положить цветы на могилку Элджернона.