El protagonista de la novela es un científico e inventor inglés conocido simplemente como "el Viajero del Tiempo" que inventa, valga la redundancia, una máquina del tiempo y se lanza a explorar la cuarta dimensión del espacio-tiempo.
El Viajero del Tiempo visita por primera vez el año 802-701 d.C., donde encuentra un mundo futuro habitado por dos especies distintas: los Eloi, una raza elegante y hermosa que vive de frutas y granos, y los Morlocks, una raza subterránea que se alimenta de los Eloi por la noche. A través de sus exploraciones, descubre que estas dos razas han evolucionado a partir de la humanidad a lo largo de cientos de miles de años debido al darwinismo social; esto ha dado lugar a un sistema de clases en el que los Eloi viven cómodamente mientras son oprimidos por sus homólogos más primitivos, los Morlocks.
Tras escapar por los pelos de ambas razas, el Viajero del Tiempo continúa su viaje en el tiempo hasta llegar a los 30 millones de años de la historia futura de la Tierra, para descubrir que ésta también se ha transformado hasta volverse irreconocible debido a las catástrofes medioambientales provocadas por los cambios de temperatura u otros procesos naturales, como la radiación cósmica o las erupciones volcánicas.
A continuación, viaja aún más lejos hasta llegar a lo que parece ser el punto final de la Tierra -un mundo poblado únicamente por flores blancas en lugar de seres humanos- antes de regresar finalmente a casa tras darse cuenta de que todas las civilizaciones acaban por llegar a su fin, independientemente de lo avanzadas que sean. Su viaje le hace sentirse abatido y a la vez esperanzado sobre el lugar de la humanidad en la naturaleza a pesar de su mortalidad final.
Cuando regresa a casa, cuenta sus aventuras a los comensales, pero nadie le cree, excepto un joven llamado Filby, que más tarde decide construir su propia máquina del tiempo basándose en la poca información que le dieron durante su conversación muchos años antes. Desgraciadamente, para Filby, cuando entra en la máquina, esta desaparece sin volver nunca más, dejando solo preguntas sobre dónde podría haber ido nuestro protagonista si hubiéramos sido lo suficientemente valientes como para seguirle hasta el infinito.
