Главный герой — Чарли Гордон, 37-летний мойщик полов, служащий компании-производителя пластиковой тары (в романе — 32-летний умственно отсталый уборщик в хлебопекарне) — добровольно участвует в эксперименте по улучшению интеллекта.

Искусственное улучшение интеллекта путём хирургической операции — оригинальное открытие двух учёных: доктора Штраусса и доктора Немюра. После успешной операции над мышью по кличке Элджернон они решают провести аналогичную операцию над каким-нибудь умственно отсталым человеком. Выбор останавливается на Чарли, так как он выказывает стремление научиться лучше читать и писать, стать умнее.

Рассказ выполнен в форме отчётов о происходящем от лица Чарли. При повышении его интеллектуальных способностей в тексте постепенно исчезают многочисленные орфографические и пунктуационные ошибки, усложняется стилистика.

В результате проведенной операции IQ Чарли стремительно растёт с 68 до 185. В отчетах Чарли отмечает свое изменившееся понимание происходящего: осознаёт реальное отношение к нему людей (понимает, кáк над ним смеялись на работе те, кого он считал своими друзьями), получает новые знания.

Чарли чувствует особенную привязанность к Элджернону, понимая, что Элджернон — единственное существо с судьбой, похожей на его собственную. С самого начала эксперимента над главным героем Элджернон и Чарли соревновались в прохождении лабиринтов — мышь в коробке, а человек на бумаге. Сначала Элджернон всё время выигрывал, что сильно злило Чарли; он очень обрадовался, наконец победив Элджернона. После этого Чарли старался подружиться с мышью.

Скорость обучения Чарли во много раз превосходит скорость обучения обычных людей — и уже через несколько недель он свободно знает несколько языков и с удовольствием читает техническую литературу. Его бывшая учительница из школы для умственно отсталых, Алиса Кинниан, первоначально радуется успехам Чарли, но затем начинает от него отдаляться: она уже не в состоянии его понять.

На своей работе Чарли сделал рацпредложение, давшее большую экономию, однако восторг директора не был поддержан рабочими, и они подписали прошение об увольнении Чарли. Они не были готовы общаться с Чарли после изменения его личности; Чарли тоже понимает, что не может поддерживать с ними дружеские отношения.

В романе, в отличие от рассказа, значительно более разработана сюжетная линия романтических отношений Чарли и его бывшей учительницы. Присутствуют также воспоминания детства Чарли, его встречи с родителями и сестрой.

Ещё через месяц уровень интеллекта Чарли становится выше, чем уровень интеллекта профессоров, проводящих эксперимент. Для Чарли очевидны их ограниченность и заблуждения. Когда у подопытной мыши начинают наблюдаться признаки регрессии, он решает сам продолжить исследование и использовать всю силу собственного интеллекта, чтобы найти решение проблемы.

Несмотря на видимую первоначальную удачу эксперимента, поведение мыши даёт серьёзный повод для беспокойства — её интеллект начинает угасать столь же быстро, как и нарастал. Через некоторое время Элджернон умирает. При вскрытии видно, что его мозг уменьшен, извилины сглажены. Чарли попросил не сжигать труп Элджернона, как это обычно делали с лабораторными животными, и похоронил его сам. (https://ru.wikipedia.org/).