Las partículas elementales es una novela dividida en tres partes. La acción tiene lugar entre el 1 de julio de 1998 y el 27 de marzo de 2009 y la narración se alterna para abordar a sus dos protagonistas: Bruno y Michel. A su vez, el narrador relata en retrospectiva muchos de los episodios que constituyen la infancia y la adolescencia de los personajes.
Al inicio de la primera parte, Michel Djerzinski, un reconocido científico en el ámbito de la biología molecular, decide tomarse un año sabático para reflexionar sobre su vida y su trabajo. El relato se concentra luego en la infancia de Michel y en sus padres: su madre, Janine, proviene de una familia de clase media, se casa con uno de los primeros cirujanos plásticos y en 1956 tiene a su primer hijo, Bruno. Movida por los ideales libertarios que comienzan a gestarse en la sociedad, Janine envía a Bruno para que lo críe su abuela, se divorcia y tiene otro hijo, Michel, en 1958, con Marc Djerzinski.
Michel se cría con su abuela, ya que su madre, que se instala a vivir en una comunidad hippie, no es capaz de cuidarlo, y su padre desaparece mientras realiza un trabajo en el Tíbet. De niño, Michel demuestra ser extremadamente inteligente y solitario. Durante su adolescencia, su madre vuelve a acercarse a él, y Michel se entera de que tiene un medio hermano que casualmente va al mismo liceo que él, en Meaux. Así, Michel conoce a Bruno, un muchacho obeso que ha sufrido acoso escolar durante toda su vida y que ya comienza a manifestar las frustraciones sexuales que van a marcar toda su vida.
La segunda parte de la novela regresa al año 1998. Michel pasa sus meses de licencia tirado en su cama o viendo televisión, mientras que Bruno se toma unas vacaciones en un complejo vacacional llamado El Lugar de lo Posible, fundado según los ideales libertarios de la revolución sexual de los años 70 que ha derivado luego hacia las propuestas del New age. A sus 42 años, Bruno es un adulto obsesionado con la satisfacción de su deseo sexual y totalmente frustrado. Su principal objetivo en el complejo vacacional es poder tener sexo con algunas mujeres.
Bruno conoce a Christiane, una profesora de ciencias que ronda los 40 años y que tiene una vida similar a la de él. Al regresar de sus vacaciones, sigue viéndola, y juntos comienzan a frecuentar discotecas para parejas, en las que se entregan a largas sesiones de sexo grupal.
Mientras tanto, Bruno visita a Michel durante su año sabático, y discute con él numerosas ideas sobre la sociedad, el deseo, el miedo a la muerte y las posibilidades del futuro de occidente. Michel está interesado en la manipulación genética y está convencido de que la reproducción sexual es la causa de las mutaciones que, en última instancia, derivan en la infelicidad de los seres humanos.
Antes de finalizar su año sabático, Michel se reencuentra con Annabelle, su gran amiga de la infancia, durante un viaje a Meaux para hacerse cargo de la reubicación de los restos de su abuela. Después del encuentro, los dos se ven regularmente y comienzan la relación de pareja que no habían sido capaces de establecer 25 años atrás. Mientras tanto, Bruno y Christiane vacacionan en Cap d’Agde, un complejo vacacional preparado para familias burguesas que quieran disfrutar de la libertad sexual con otras parejas.
Poco tiempo después de esas vacaciones, una enfermedad que padece Christiane la deja paralítica, y Bruno entonces corta toda comunicación con ella. Resignada a que todo lo bueno de su vida ha terminado, la mujer se suicida. Cuando Bruno se entera, se siente culpable por lo sucedido y se interna en una clínica psiquiátrica.
Al final de la segunda parte, Los hermanos se dirigen a un pueblo cercano a Niza para ver a su madre agonizante. Bruno desata contra ella todo el odio contenido, mientras que Michel se muestra indiferente a todo lo que está ocurriendo. Cuando Janine muere, la entierran en el pueblo y se olvidan de ella.
En la tercera parte de la novela, Michel decide continuar sus trabajos en un centro de investigación genética en Irlanda, y le pide el traslado a su superior. Antes de marcharse, Annabelle le pide tener un hijo con él, a lo que Michel accede. Sin embargo, los controles del embarazo revelan que Annabelle padece un tumor de útero, y deben extirpárselo. Tras su convalecencia, acompañada por Michel y sus padres, los médicos descubren que el tumor ha hecho metástasis a los intestinos, por lo que deberán comenzar un tratamiento con radioterapia. Ante la noticia, Annabelle se suicida por la noche.
Tras la muerte de Annabelle, Michel se instala definitivamente en Irlanda y se dedica de lleno a sus trabajos. Entre 1999 y 2009 desarrolla una serie de teorías sobre las mutaciones genéticas durante la reproducción sexual y la posibilidad de la clonación de individuos. Cuando ya ha terminado con su teoría, Michel se suicida.
En el último capítulo, el narrador revela que es un post-humano, una especie creada en el laboratorio gracias a los avances que la teoría de Michel posibilitó. En el epílogo se indica que la humanidad tal como se la conoció está desapareciendo y siendo reemplazada por una especie de nuevos humanos que comparten todos el mismo material genético. Esta nueva especie ha logrado superar las frustraciones y los problemas producidos por el individualismo de la sociedad posmoderna. La novela es, según el narrador, un homenaje a aquellos humanos que hicieron posible el reino de la nueva especie.
