Ambientato nel Ventiquattresimo secolo, Fahrenheit 451 racconta la storia del protagonista, Guy Montag. All’inizio della vicenda, Montag ama il suo lavoro di pompiere, che consiste nel bruciare i libri, il cui possesso è illegale, e le case dei loro possessori. Tuttavia, ben presto Montag inizia a interrogarsi sul significato del suo lavoro e, quindi, della sua vita. Nel corso del romanzo la sua crisi si fa sempre più profonda finché sceglie di abbandonare la società oppressiva in cui viveva e di unirsi a una rete clandestina di intellettuali. Con i suoi nuovi compagni, dopo aver assistito alla distruzione atomica della sua vecchia città, si dedica a ricostruire una nuova società basata sul rispetto della cultura e delle lettere.
All’inizio del romanzo, Montag fa amicizia con la vicina, Clarisse McClellan, una ragazza di diciassette anni la cui curiosità e prospettiva umanistica spingono Montag a porsi delle domande sulla propria vita. Presto si rende conto di non essere felice e di non amare più sua moglie, Millie, che al contrario ha rifiutato la realtà ed è in balìa della televisione, delle “radioconchiglie” (paragonabili a moderni auricolari che “producono un oceano di suoni elettronici”) e della sua dipendenza dai sonniferi. Insoddisfatto dal suo lavoro e sdegnato da come tutti stiano tranquillamente ignorando le notizie di una imminente guerra atomica, Montag inizia a mettere in dubbio la società in cui vive. In particolare si chiede perché i libri siano al contempo così pericolosi secondo la morale vigente e così fedelmente rispettati da certe altre persone. Quale potere giace nei libri?
Spinto da una crescente irrequietezza, Montag ruba un libro da una raccolta che avrebbe dovuto bruciare. Durante l’incendio è sconvolto quando la proprietaria dei libri, una donna anziana, non solo rifiuta di lasciare la casa ma le dà volontariamente fuoco, morendo così tra le fiamme. La devozione della donna suggerisce a Montag che forse la felicità che gli manca può essere trovata proprio nei libri. Dopo l’incendio Montag ritorna a casa, inorridito dall’orribile morte della donna. Inizia a rendersi conto che il suo lavoro di pompiere non era a servizio della società, come ha creduto negli ultimi dieci anni, ma solamente uno strumento di distruzione. Quella notte, durante una discussione con Millie, viene a conoscenza che la sua amica Clarisse è stata uccisa più di una settimana prima da un’automobile che andava a velocità elevata. Al sentire questa notizia Montag si sente ancora peggio. Quella notte si addormenta con il libro rubato nascosto sotto il cuscino.
Il giorno seguente Montag si rifiuta di andare al lavoro, dicendo che è ammalato. Il suo capo, il capitano Beatty, gli fa visita quella mattina e sembra in qualche modo essere consapevole sia delle sue sofferenze interiori sia che potrebbe essere in possesso di alcuni libri. Beatty attacca allora la predica a Montag sulla nocività dei libri e sulla superiorità della società attuale, in cui omogeneità e uniformità sono imposte, rispetto alla vecchia società in cui il libero pensiero era invece incoraggiato ed era permesso esprimere opinioni anche contrastanti. Durante la visita di Beatty, Millie è nervosa e sta rifacendo il letto. Quando cerca di spostare il cuscino di Montag lui non glielo lascia fare, al che lei mette la mano sotto il cuscino e trova il libro nascosto. Millie è sconvolta e, sebbene non denunci direttamente suo marito, chiede a Beatty che cosa succederebbe se un pompiere portasse a casa un libro. Beatty risponde che ai pompieri è consentito portare un libro a casa, ma lo devono bruciare entro ventiquattro ore.
Quando Beatty va via, Montag recupera una ventina di libri che ha rubato sul lavoro nel corso degli anni e inizia a leggerli. Incerto su cosa fare in seguito, si ricorda di aver incontrato un anno prima un professore in pensione, Faber, e di aver discusso con lui del valore degli ideali. Decide di far visita a Faber, che inizialmente è restio a parlargli per paura di essere la sua prossima vittima. Tuttavia, i due presto iniziano a fidarsi l’uno dell’altro e Faber diventa un mentore per Montag, trasmettendogli man mano un po’ della sua esperienza e saggezza. I due escogitano un modo per copiare i libri rubati da Montag. Faber gli dà una piccola ricetrasmittente di sua invenzione da tenere nell’orecchio così che possano essere sempre in contatto.
A casa, Montag ormai disprezza la moglie e le sue amiche che si siedono pigramente a guardare la televisione e trascorrono il tempo spettegolando; questi comportamenti rivelano il loro egoismo e la mancanza di consapevolezza o preoccupazione per l’imminente guerra atomica. Malgrado i tentativi di Faber, via radio, di fermarlo, Montag coinvolge le donne in un dibattito sulla famiglia e la politica e, in seguito, legge loro qualcosa da un libro di poesia. Le amiche di Millie reagiscono in modo emotivo alla lettura, piangendo e non capendo l’origine delle loro lacrime. Quando le sue amiche se ne vanno ancora scosse, lei si ritira nella sua stanza per prendere un sonnifero mentre Montag, nascosti i suoi libri nel giardino dietro casa, va al lavoro, dove trova Beatty con il suo solito discorso anti-intellettuale e contro i libri. I pompieri ricevono un allarme e Montag scopre con orrore che è la sua casa a dover essere bruciata. Sua moglie Millie l’ha denunciato.
Dopo aver bruciato la sua casa, stanza per stanza, insieme a tutti i suoi beni, come da ordini del capitano Beatty, Montag viene rimproverato dal suo capo e i due si azzuffano. Durante la lotta l’auricolare di Faber cade dall’orecchio di Montag. Quando Beatty fa notare che sia Montag sia il suo “amico” Faber saranno puniti severamente, Montag lo minaccia con il lanciafiamme. Mentre Beatty continua a insultarlo, Montag preme il grilletto e lo uccide. Immediatamente, il Segugio Meccanico, un cane d’attacco robotico che può tracciare qualsiasi essere umano dall’odore, si mette a inseguirlo. Il mastino gli inietta dell’anestetico alla gamba, ma Montag riesce a distruggerlo con il lanciafiamme prima che possa fargli del male. Montag recupera i suoi libri rimasti in giardino prima di correre da Faber. Sulla strada, si ferma per piazzare i libri nella casa del pompiere Black e velocemente si ritira presso una stazione di benzina dove sente delle notizie che dichiarano scoppiata la guerra. Mentre sta attraversando la strada viene quasi investito da un guidatore spericolato.
Faber dà rifugio a Montag, che, ricercato dalle autorità, è inseguito da un secondo Segugio Meccanico. Faber gli dà dei vecchi abiti (mascherando così il suo odore e impedendo al Segugio di trovarlo) e gli dice di andare al fiume e navigare verso valle fino ai binari del treno, dove troverà un accampamento di vagabondi, intellettuali fuorilegge, che potranno aiutarlo. In cambio, Montag lo esorta ad accendere tutti i suoi irrigatori automatici per mandar via il suo odore. Montag parte, Faber ascolta il suo consiglio e poi parte per St. Louis per ingaggiare un ex tipografo, suo conoscente, affinché gli stampi dei libri. Montag si fa trasportare dal fiume, riuscendo a evitare il mastino, e sulla riva si imbatte nel gruppo di ex scrittori, uomini di chiesa e accademici. Il leader del gruppo, un autore di nome Granger, dà il benvenuto a Montag e gli offre un intruglio per cambiare il suo pH in modo che il mastino non possa scovarlo. L’uomo ha un televisore portatile da cui guardano l’inseguimento della polizia alla ricerca di Montag. Questi è scioccato nel vedere il Segugio Meccanico uccidere un altro uomo e il presentatore annunciare che ‹‹Montag è morto!››. La polizia, perso l’odore di Montag ma non volendo perdere la fiducia del pubblico, ha mandato il segugio contro un uomo innocente al suo posto.
Granger dice a Montag che gli uomini dell’accampamento hanno imparato a memoria varie opere letterarie così che un giorno, quando sarà possibile, potranno di nuovo stampare i libri. Quando le bombe atomiche distruggono la città si mettono in viaggio per setacciare le macerie e ricominciare da capo. Intendono promuovere una società dove i libri e il libero pensiero possano prosperare.
