舞台はニューヨーク。32歳の主人公チャーリー・ゴードンは、知的障害を抱えながらもパン屋で清掃作業員として働き、誰からも好かれる親切な人間になりたいと願っていました。「頭が良くなれば、みんなともっと仲良くなれる」と信じるチャーリーは、知的障害者のための成人学習センターに通い、熱心に勉強を続けていました。
そこで担任を務めていたのが、チャーリーの純粋な人柄を深く理解するアリス・キニアン先生です。彼女の推薦により、チャーリーは大学の研究チーム（ストラウス博士とネーマー教授）が進める「人為的に知能を高める外科手術」の最初の被験者候補に選ばれます。
手術の前、チャーリーは迷路実験で白ねずみのアルジャーノンと競わされます。アルジャーノンはすでに同じ手術を受けて驚異的な知能を獲得しており、チャーリーは何度挑戦してもこの白ねずみに勝つことができませんでした。しかし、手術を受けた後、チャーリーの知能は劇的なスピードで覚醒を始めます。ひらがなだらけで誤字だらけだった「経過報告（日記）」の文章は、瞬く間に流麗な英語へと変化していきました。
