В относительно недалеком будущем, каким его представлял автор в начале 1950-х годов, действие разворачивается в американском обществе, где пожарные выполняют обратную традиционным обязанностям функцию — не тушат огонь, а уничтожают книги и жилища тех, кто хранит запрещённую литературу. Главный герой, тридцатилетний пожарный Гай Монтэг, на протяжении десяти лет безраздельно следует этому порядку, не задумываясь о его причинах и последствиях.
Переломным моментом становится встреча с молодой и необычайно чувствительной Клариссой Маклеланд. Она выделяется на фоне своих сверстников, погружённых в поверхностные развлечения, своим вниманием к природе и глубокой рефлексией. Вопрос Клариссы о том, счастлив ли Монтэг, заставляет его впервые задуматься о собственном существовании и окружающей действительности, которую он до этого воспринимал как должное. Вскоре Монтэг осознаёт, что его жизнь пуста и лишена настоящих человеческих чувств.
Этот внутренний кризис усугубляется происшествием с женой Монтэга, Милдред, которая в результате передозировки снотворного оказывается на грани смерти. Её спасают с помощью современных медицинских технологий, однако брак супругов давно утратил близость и превратился в формальность. Милдред полностью погружена в мир телевизионных программ, которые занимают все стены их гостиной, и мечтает о полном окружении экранов, чтобы усилить иллюзию присутствия.
Постепенно знакомства с Клариссой меняют Монтэга: он начинает задавать своим коллегам вопросы, которые вызывают у них недоумение, например, вспоминать времена, когда пожарные тушили пожары, а не сжигали дома. Во время очередного вызова он становится свидетелем того, как женщина, уличённая в хранении книг, предпочитает умереть вместе со своими томами в огне.
Следующим днём Монтэг не может преодолеть внутреннего сопротивления и отказаться от работы, однако его жена не разделяет его настроений и сообщает, что Кларисса погибла в автокатастрофе, а её семья покинула город. В этот момент в дом Монтэга приходит его начальник, брандмейстер Битти, который замечает изменения в подчинённом и решает вернуть его к прежним взглядам. Битти излагает идеологию общества, где книги сокращены до минимума, а содержание упрощено, чтобы сформировать покорных и безликих граждан, одинаковых друг с другом и неспособных к самостоятельному мышлению.
Он подчёркивает, что книги представляют угрозу для стабильности, сравнивая их с заряженным оружием, которое необходимо обезвредить. Монтэг, осознав серьезность положения, тем не менее продолжает тайно хранить некоторые книги, взятые у сожжённой женщины. Попытка разделить интерес к ним с Милдред не встречает понимания.
В поисках поддержки Монтэг обращается к профессору Фаберу, который ранее был замечен пожарными. После первоначального недоверия Фабер соглашается помочь и делится планами по возрождению книгоиздания в ограниченных масштабах. Он также передаёт Монтэгу миниатюрное устройство для связи, позволяющее им оставаться на связи и обмениваться информацией о действиях пожарных.
Тем временем на страну надвигается угроза войны, а мобилизация уже началась. В домашней обстановке Монтэг терпит неудачу в попытках заинтересовать Милдред и её подруг книгами, что вызывает конфликт. При возвращении на службу пожарная команда вызывает у него шок: они направляются к его собственному дому, поскольку Милдред, недовольная изменениями мужа, сообщила о наличии книг. Тем не менее, донос был чуть позже, чем подруги Монтэда.
По приказу Битти Монтэг вынужден сжечь и книги, и дом. Однако когда Битти обнаруживает передатчик для связи между Монтэгом и Фабером, герой в целях самозащиты направляет огнемёт против него. После этого он становится вне закона и объектом преследования. Для создания иллюзии наказания преступника, власти убивают случайного прохожего, а погоня транслируется по телевидению, успокаивая общество.
Следуя указаниям Фабера, Монтэг покидает город и находит убежище среди необычного сообщества интеллектуалов. Эти люди, понимая опасность уничтожения книг, взяли на себя роль живых хранилищ литературы, запоминая целые произведения. Каждый из них носит в памяти отдельную книгу или её часть, распространяя знания по всей стране. Они готовы передать свои знания обществу, когда наступит подходящее время. В это же время на город, покинутый Монтэгом, нападают вражеские бомбардировщики, превращая в руины символы технического прогресса XX века.
