Главный герой, исследователь и руководитель лаборатории в институте высокомолекулярной химии, во время эксперимента получил ожог лица жидким кислородом, что привело к образованию стойких рубцов. Раны не заживают, и он постоянно носит повязки, скрывающие его лицо. Он осознаёт, что утрата кожи на лице, являющейся лишь оболочкой, отгородила его от общества, и ощущает себя лишённым собственного лица. Герой замечает, что лицо играет гораздо более значимую роль в жизни, чем он предполагал: даже музыка Баха теперь воспринимается им не как утешение, а как комок глины. Он задаётся вопросом, не повлияло ли изуродованное лицо на его восприятие музыки, и вспоминает случай из детства, когда сжёг накладные волосы своей старшей сестры, считая их неприличными. Теперь повязки на лице кажутся ему фальшивым, лишённым индивидуальности лицом.
Он пытается восстановить физическую близость с женой, которая прекратилась после несчастного случая, но его попытки оказываются слишком резкими, и жена отталкивает его. Отношения с окружающими нарушаются: прохожие избегают взгляда на его лицо, коллеги делают вид, что ничего не произошло, а дети начинают плакать при встрече с ним. Желая вернуть связь с людьми, герой решает изготовить маску, способную заменить ему лицо. Для этого он обращается к К., учёному, занимающемуся искусственными органами. Тот показывает ему искусственный палец, но подчёркивает, что восстановление лица — более сложная задача, связанная не только с косметикой, но и с профилактикой психических заболеваний. К. рассказывает о своём опыте военного врача, где видел, как раненые больше всего беспокоились о сохранении своего облика, и приводит пример солдата, покончившего с собой из-за изуродованного лица. Он убеждён, что серьёзные повреждения лица оставляют глубокие душевные травмы.
К. готов взяться за работу над лицом героя и уверен, что сможет предложить ему решение лучше бинтов, однако герой отказывается от его помощи, покупает искусственный палец и спешит уйти. Ночью он размышляет о разговоре с К., понимая, что лицо является связующим звеном между людьми, и потеря лица означает изоляцию в одиночной камере. Идея маски воспринимается им как попытка побега из этого заточения, попытка вернуть связь с окружающими. Он осознаёт, что помимо лица существуют и другие пути к людям: его научные труды, которые читают люди, никогда его не видевшие. Герой размышляет, почему искусственный палец кажется отталкивающим, предполагая, что дело в отсутствии ощущения кожи, и приходит к выводу, что для точного воспроизведения деталей кожи необходимо использовать чужое лицо.
Встречаясь со школьным другом-палеонтологом, герой узнаёт, что даже специалист может восстановить лишь общее расположение мышц, и что точное воссоздание внешности невозможно, поскольку скелет не даёт полной информации о лице. Герой начинает обдумывать, какое лицо могло бы ему подойти. Он ищет материалы для создания эпителия, кератинового слоя и внутренних слоёв кожи. Слепок своего лица он делает из сурьмы — внутренней поверхности будущей маски. Для наружной поверхности выбор типа лица оказывается сложной задачей. Неприятие горя, которое он испытывает в одиночестве, постепенно превращает героя в чудовище, а мысль о том, что лицо формирует внутренний облик человека, усиливает это чувство.
Герой начинает тяготиться светом и предпочитает темноту, посещая кинотеатр и случайно попадая на выставку масок театра «Но». Он замечает, что кажется, будто маски меняют выражение лица, но понимает, что это иллюзия, вызванная изменением света. Маски не обладают собственным выражением, а восприятие зависит от зрителя и его выбора.
Возникает идея подобрать лицо с учётом мнения жены. Герой рассказывает ей, что зрители в кино как бы берут лица актёров в аренду, и если эти лица не нравятся, фильм теряет интерес. Жена отвечает, что предпочитает документальные фильмы без актёров. Героя раздражает её уступчивость. В размышлениях о типе лица он приходит к выводу, что с точки зрения жены ему подходит «негармоничный, экстравертный» тип — лицо волевого и деятельного человека. Герой одновременно стремится восстановить связь с женой и отомстить ей, ощущая себя охотником, чья стрела направлена на неё.
После долгой работы маска готова. Чтобы скрыть место соединения маски с лицом, герой добавляет бороду, несмотря на своё неприязненное отношение к ней. Надев маску, он чувствует, что собственное лицо становится неживым из-за неподвижности маски и отсутствия выражения. Он решает снять комнату в доме S, чтобы «приучить маску к морщинам» и придать ей выражение.
Впервые выйдя на улицу в маске без определённой цели, герой заходит в табачную лавку, где продавщица не обращает на него особого внимания, что воспринимается им как равенство с другими людьми. На следующий день он пытается арендовать соседнюю комнату для младшего брата, чтобы беспрепятственно приходить и уходить в маске, но комната уже занята. Он убеждает управляющего, что брат будет приходить в его комнату время от времени. Во дворе герой встречает дочь управляющего — умственно отсталую девочку, которая ранее плакала, увидев его забинтованное лицо. Он начинает с ней разговор, и она предлагает «играть в секреты», что воспринимается героем как метафора его ситуации. Он обещает девочке новую игрушку, но маска начинает казаться ему зловещим духом.
Оставшийся день вымышленной командировки герой посвящает освоению маски. В магазине он покупает обещанную игрушку и духовой пистолет, хотя не желает этого делать, но маска берёт верх. Он ощущает маску как отдельное, почти враждебное существо. Герой планирует прийти к жене в маске под видом чужого человека, чтобы соблазнить её. Возле дома он воображает реакцию жены на встречу с маской, испытывая ревность. Маска, которая должна была стать посредником, теперь кажется ему преградой. Заглянув в окно, он видит, что жена выстирала старые бинты, которыми он обматывал лицо, что вызывает у него чувство любви к ней.
На следующий день герой в маске встречает жену на автобусной остановке после её лекции и приглашает её выпить кофе и пообедать. Жена спокойно позволяет маске соблазнять себя, объясняя, что муж в командировке. Через несколько часов она соглашается пойти с героем в гостиницу и отдаётся ему. Герой испытывает чувство поражения и не может понять жену.
На следующий день, снова обмотав лицо бинтами, герой возвращается домой и сначала посещает работу, чтобы привыкнуть к своему облику. Жена встречает его как обычно, что поражает героя: она спокойно воспринимает раздвоение между лицом и маской, не испытывая ни стыда, ни раскаяния. После ужина герой уходит, ссылаясь на незавершённый эксперимент, и позже звонит жене от имени маски. Она сообщает, что муж вернулся, но вскоре ушёл, и выражает сожаление.
Герой пребывает в растерянности, не в силах разгадать жену. Возле дома S он снова встречает девочку, притворяется, что не понимает, о чём она говорит, поскольку обещал игрушку, будучи в маске. Девочка напоминает, что они «играют в секреты». Герой осознаёт, что даже девочка не может быть обманута маской, но считает, что у неё, как и у собаки, развита интуиция, и поэтому её труднее ввести в заблуждение, чем взрослого человека. Он отдаёт ей игрушку.
Надев маску, герой продолжает встречаться с женой. Возвращаясь домой, он начинает писать записки, стремясь разрушить созданный ими любовный треугольник. Он не может слиться с маской и воспринимает отношения жены с ней как измену и предательство. Этот конфликт продолжается около двух месяцев: жена встречается с маской, а герой пишет записки, объясняющие её смысл. В конце он сообщает жене, как попасть в дом S, где она находит три тетради с его мыслями и чувствами, содержание которых составляет текст романа. В заключении он оставляет жене маску и разрешает ей делать с ней всё, что она пожелает.
На последних страницах герой описывает, как ждал, пока жена читает его записи, надеясь, что разоблачение маски причинит ей боль и вызовет стыд, полагая, что их отношения уравнялись раной, нанесённой обоим. Он считает любое решение предпочтительнее существования любовного треугольника. Однако, не дождавшись жены в доме S, он находит письмо, в котором она признаётся, что с самого начала понимала всё. По её мнению, герой, изначально стремясь вернуть себя через маску, со временем стал использовать её как средство бегства от самого себя. Маска стала для него новым лицом. Жена отмечает, что маска не была плохой, просто герой не знал, как с ней обращаться, и в итоге она ничего не изменила. Она обвиняет его в эгоизме и считает его поведение издевательством.
Прочитав письмо, герой пытается определить момент своей ошибки. Его глубоко ранят два замечания жены: первое — то, что она продолжала делать вид, что её удалось обмануть, и второе — упрёк в отсутствии реальных действий, заменённых лишь записками, которые делают его похожим на змею, кусающую собственный хвост. Он приходит к выводу, что маска была не просто маской, а чем-то близким к новому, настоящему лицу.
Герой решает дать маске ещё один шанс. Надев её и взяв духовой пистолет, он ощущает, как настроение меняется: прежнее чувство сорока лет сменяется ощущением молодости и самоуверенности. Он пытается найти жену, но безуспешно. Маска превращает его из послушного, ослеплённого ревностью человека в дикого зверя, способного на всё. Услышав приближение женских каблучков, герой прячется и снимает предохранитель пистолета. Он не знает, как поступит в момент выстрела, но испытывает ненависть к людям. Последние его слова отражают усталость от письма и ожидания: «Больше никогда писать не смогу. Писать нужно, видимо, только тогда, когда ничего не случается».
