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 200. 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.