En la apertura del libro, dos hombres, el señor Utterson y su primo, Richard Enfield, caminan tranquilamente por Londres. En silencio al principio, los hombres pasan por una misteriosa puerta que da a un sótano, y el señor Enfield pasa a contar una historia sobre un extraño suceso relacionado con esa misma puerta. Una noche, cuando se dirigía a su casa, Enfield se topó con un hombre bajo y deforme que pisoteaba en la calle a una niña que iba camino al médico. La familia de la niña y el señor Enfield atrapan al misterioso hombre y, en lugar de buscar a la policía, deciden obligarlo a darle dinero a la familia de la niña. De acuerdo con este compromiso, el hombre misterioso desaparece en la puerta del sótano y regresa con un cheque que no lleva su propio nombre, sino el del respetable doctor Jekyll. Aunque Enfield asumía que el cheque era falsificado, resulta ser legítimo.
Después de escuchar la historia, Utterson regresa a su casa, donde revisa el misterioso testamento que su cliente y amigo Henry Jekyll recientemente le había presentado. El testamento establece que, en caso de que el Dr. Jekyll muera, su sustancial patrimonio pasará a manos de Mr. Edward Hyde, a quien Utterson nunca ha conocido y quien asume ser el misterioso hombre en la historia de Enfield. Lo que es aún más extraño, el testamento establece que, en el caso de que Jekyll desaparezca por más de tres meses, Hyde asumirá inmediatamente la propiedad de Jekyll. Utterson también se da cuenta de que la puerta misteriosa está conectada, en forma de L, a la casa de Jekyll. Su conclusión es que Hyde está chantajeando a Jekyll, y decide buscarlo para entender por qué. Tras ser rastreado por Utterson, Hyde se muestra inicialmente civilizado, pero se enfada cuando Utterson extiende la conversación, investigando su relación con el doctor Jekyll.
Un año más tarde, Edward Hyde asesina brutalmente a Sir Danvers Carew, golpeándolo con un bastón. Con la ayuda de Utterson, la policía encuentra el departamento de Hyde, saqueado y lleno de papeles quemados. Luego de irse, Utterson se dirige a Jekyll y lo enfrenta por albergar a un asesino. Jekyll afirma que su relación con Hyde está terminada para siempre. Sin embargo, tiene una nota de despedida de Hyde. Utterson la examina y su empleado, el señor Guest, más tarde descubre que la letra con la cual fue escrita, aunque ligeramente alterada, coincide con una invitación a cenar escrita por el doctor Jekyll. Enojado, Utterson asume que Jekyll ha falsificado una carta para un asesino.
Pasa más tiempo, y nos enteramos de que, aunque Hyde no ha sido localizado, el doctor Jekyll se ha vuelto cada vez más sociable, regresando a sus típicos días, previos a Hyde, de reuniones amistosas y encuentros intelectuales. Un día, Utterson asiste a una cena en la casa de Jekyll y ve al doctor Lanyon allí. Poco después, Jekyll se recluye y Lanyon cae gravemente enfermo debido a un shock y muere poco después. Tras su muerte, el doctor Lanyon le deja a Utterson una carta para ser leída solo después de la muerte o desaparición del doctor Jekyll. Algún tiempo después de estos misteriosos eventos, Enfield y Utterson caminan nuevamente por la puerta misteriosa y observan al doctor Jekyll sentado junto a una ventana en el apartamento. Los hombres tienen una breve conversación, pero Jekyll cierra bruscamente la ventana cuando comienza a sufrir lo que parece ser una convulsión. A Enfield y a Utterson les sorprende la inquietante apariencia que toma la cara de Jekyll mientras se oculta de su campo visual.
Aproximadamente una semana después, Richard Poole, el fiel mayordomo de Jekyll, se acerca a Utterson. Poole informa que Jekyll se ha encerrado en su gabinete y que lo único que emana de la habitación son extraños sonidos que incluyen pisadas y llantos. La única comunicación que Poole ha recibido de Jekyll consiste en cartas que solicitan desesperadamente un tipo específico de medicamento. Utterson acepta ayudarlo y sigue a Poole a la casa de Jekyll. Los dos hombres rompen la puerta de la habitación donde Jekyll se ha escondido. Encuentran el cadáver de Hyde y asumen que se suicidó inmediatamente antes de que entraran ellos en la habitación. Dan vuelta el lugar buscando el cuerpo de Jekyll, o alguna evidencia de su muerte, pero no tienen éxito. En el laboratorio, los hombres descubren un sobre grande dirigido al señor Utterson. En su interior, Jekyll le pide a Utterson que lea el paquete de Lanyon y le dice que, si desea saber más, lea la descripción adicional que se encuentra dentro del sobre.
Utterson lee la historia de Lanyon. La carta comienza con la descripción de una extraña carta que Lanyon recibió de Henry Jekyll la noche después de la cena en su residencia. La carta instaba a Lanyon a ir a la casa de Jekyll y buscar un cajón con ciertos contenidos específicos del laboratorio. Después, un mensajero de Jekyll iría a la casa de Lanyon para recuperar estos artículos, que incluían unos polvos, un frasco y una libreta. Lanyon siguió las instrucciones pensando que Jekyll había perdido la razón. Mr. Hyde apareció a la hora especificada, luciendo particularmente extraño, vestido con ropa demasiado grande para él. Lanyon le da a Hyde los ingredientes, y éste le pregunta si le gustaría ver el resultado final de su misión. A Lanyon le inspira la curiosidad y él acepta. Hyde mezcla los ingredientes en una poción, la cual bebe y Lanyon observa, asombrado, cómo se transforma en el doctor Jekyll. El shock que esto le produce a Lanyon, así como la pura maldad de Jekyll, lo llevan a su posterior enfermedad y, finalmente, a la muerte.
Después de leer el relato del doctor Lanyon, Utterson lee la descripción del propio Jekyll de su experimento fallido. Jekyll creía que el alma se componía de dos partes separadas: el bien y el mal. Estos dos seres separados, pensaba, viven en un continuo e inherente conflicto. Poco a poco, Jekyll comienza un experimento en el que intenta diferenciar completamente estos dos aspectos de la naturaleza humana. Jekyll experimenta extensivamente y luego prepara dos pociones. Una lo transforma en Edward Hyde, y el segundo lo vuelve a transformar en Henry Jekyll. Este experimento asombrosamente exitoso da comienzo a la extensa exploración de Jekyll de su otro yo, un hombre completamente cómodo en su comportamiento moralmente corrupto, a quien finalmente nombra Edward Hyde.
Este comportamiento continúa por algunos meses, hasta que Jekyll "se había acostado como Henry Jekyll y había despertado como Edward Hyde". Jekyll se alarma al transformarse en Edward Hyde sin la ayuda de la poción, y se preocupa ante la posibilidad de que Hyde pudiera asumir el control de manera irrevocable. Preocupado por haber sobrepasado sus límites, Jekyll decide renunciar la libertad de Hyde y, durante dos meses, mantiene la identidad del doctor Jekyll. Desafortunadamente, se ve torturado por el deseo de Hyde de participar libremente en actos malvados, y una vez más toma la poción. Durante esta transformación, Hyde asesina brutalmente a Carew. Debido a la persecusión posterior de Hyde, Jekyll jura nunca más volver a realizar la transformación, y se dispone a tratar de remediar el mal dentro de él.
Desafortunadamente, en este punto Jekyll ya le había dado demasiado poder a su lado malvado. Hyde era una parte irrevocable del carácter de Jekyll, y las muchas transformaciones y conductas malignas solo fortalecieron su poder. Una noche, contemplando las acciones de Hyde, Jekyll se transformó espontáneamente en él. Debido a que su identidad dual era un secreto para todos los miembros de la casa, se dio cuenta de que no podía caminar al laboratorio para recuperar los ingredientes de la poción. Por lo tanto, envió aquella carta urgente al doctor Lanyon. Después de transformarse exitosamente en el doctor Jekyll, se fue a su casa una vez más, pero cada vez que se quedaba dormido, volvía a convertirse en Mr. Hyde. Pronto, sus pociones dejaron de funcionar y se quedó sin la medicina necesaria. Mientras vive en su gabinete y no permite que ninguno de sus sirvientes lo vea, Hyde inicia una búsqueda desesperada pero infructuosa para los ingredientes de la poción en Londres. Cuando Poole y Utterson finalmente irrumpen en la habitación, Hyde se suicida, liberando así tanto a Jekyll como a Hyde.
