Ambientada en la Barcelona de los años cuarenta, la novela narra la historia de Daniel Sempere, un adolescente que descubre el extraño y mágico mundo de los libros. La novela comienza con Daniel y su padre, propietario de una librería en Barcelona. Un día, el padre de Daniel le lleva a una vieja biblioteca llamada El Cementerio de los Libros Olvidados, donde debe elegir un único libro que permanecerá en su poder para siempre. Daniel elige La sombra del viento, de Julián Carax, y pronto se da cuenta de que es un libro raro, del que no existen más ejemplares en el mundo. Comienza así su obsesión por Carax y su búsqueda de respuestas sobre la desaparición del escritor.
Poco después, descubre que alguien ha estado buscando todos los libros escritos por Carax y destruyéndolos, lo que da lugar a una misteriosa investigación. Con la ayuda de Fermín Romero de Torres, amigo de su padre, Daniel se propone averiguar quién está detrás de la siniestra trama. Por el camino, descubren una oscura red de secretos y mentiras en torno al pasado de Carax. A medida que la investigación de Daniel se profundiza, conoce a muchas personas interesantes del pasado relacionadas con Carax, incluida una bella mujer llamada Penélope Aldaya. También tiene que enfrentarse a una peligrosa figura del pasado de Carax conocida como Laín Coubert.
Mientras Daniel y Fermín desentrañan los secretos de una historia olvidada, descubren una historia de amor entre Julián y Penélope Aldaya, la hija de Don Ricardo Aldaya. A pesar del secretismo de su relación, los dos amantes desarrollaron una conexión instantánea que duró cuatro años, hasta que decidieron fugarse a París. Sin embargo, una semana antes de su partida, la desgracia comenzó a cernirse sobre ellos.
Con la ayuda de Miquel Molinar, el mejor amigo de Julián, hicieron planes para su fuga, pero Penélope nunca apareció. Al final se descubre que Miquel sacrificó su propia vida por Julián, teniendo que abandonar sus deseos por su amigo. Julián se queda solamente con el recuerdo de Penélope hasta que regresa a Barcelona a mediados de los años treinta sin saber nada de su destino. Para su consternación, descubre que no solo estaba desaparecida, sino que había sido encarcelada por sus padres debido a su relación incestuosa con él, embarazada de su hijo. Desgraciadamente, murió en el parto y su cuerpo fue depositado en la tumba familiar junto con su hijo David Aldaya, que nació muerto.
Cuando Julián regresa a la mansión Aldaya, siente una gran rabia al enterarse de la muerte de su amada y de su hijo. Detesta cada momento que pasa separado de Penélope y aborrece aún más sus obras literarias. En consecuencia, empieza a incinerar todos sus manuscritos y se hace llamar Lain Coubert.
Cuando Daniel se entera de esta tragedia, se casa con Beatriz Aguilar, que le ayuda en su búsqueda para desentrañar el misterio Carax. Poco después, Bea da a luz a su hijo Julián Sempere en honor a Julián Carax.
