Ambientada en el siglo 24, Fahrenheit 451 cuenta la historia del protagonista, Guy Montag. Al principio, Montag disfruta de su profesión de bombero, quemando libros de propiedad ilegal y las casas de sus dueños. Sin embargo, Montag pronto comienza a cuestionar el valor de su profesión y, a su vez, su vida. A lo largo de la novela Montag lucha con su existencia, eventualmente huyendo de su sociedad opresiva y censurada y uniéndose a una red clandestina de intelectuales. Con sus nuevos amigos, Montag es testigo de la destrucción atómica de su antigua ciudad y se dedica a reconstruir una sociedad alfabetizada y cultural.
Al comienzo de la novela, Montag desarrolla una amistad con su vecina de 17 años, Clarisse McClellan, cuya perspectiva humanista y naturaleza inquisitiva llevan a Montag a examinar su vida. Pronto, se da cuenta de que es infeliz y ya no ama a su esposa, Millie. Mientras tanto, Millie no está dispuesta a lidiar con la realidad y, en cambio, elige sumergirse en la televisión interactiva, la radio de conchas marinas y una adicción a los tranquilizantes. Insatisfecho por su ocupación y descontento con una sociedad indiferente a los informes de una guerra atómica inminente, Montag comienza a cuestionar los caminos del mundo. Específicamente, Montag se pregunta por qué se percibe que los libros son tan peligrosos y por qué algunas personas les son tan leales. ¿Qué poder tienen los libros?
Impulsado por su creciente inquietud, Montag roba un libro de una colección que lo envían a quemar. En el lugar del incendio, Montag se siente conmocionado cuando la dueña de los libros, una mujer mayor, se niega a dejar su casa. En cambio, la mujer prende fuego a su casa empapada de keroseno y permanece allí, y ella es destruida por las llamas. La dedicación de la mujer a sus libros hace que Montag se dé cuenta de que quizás la felicidad que le falta se puede encontrar en los libros. Después de la quema, Montag regresa a casa, sintiéndose enfermo mientras revive la horrible muerte de la mujer. Empieza a darse cuenta de que aunque, durante los últimos diez años, pensó que estaba sirviendo a la sociedad como bombero, en realidad era puramente un instrumento de destrucción. Esa noche, en una discusión con Millie, Montag se entera de que su amiga Clarisse fue asesinada por un automóvil a alta velocidad más de una semana antes. Al escuchar esta noticia, Montag se siente aún más enfermo. Se queda dormido esa noche con el libro robado escondido debajo de la almohada.
Al día siguiente, Montag se niega a asistir al trabajo, alegando que está enfermo. Su jefe, el Capitán Beatty, visita a Montag esa mañana y, de alguna manera, parece ser consciente de la lucha interna que está sufriendo Montag y de que Montag podría poseer libros. Beatty le da una conferencia a Montag sobre lo ofensivo de los libros y la superioridad de su sociedad actual, donde la homogeneidad y la estructura son obligatorias, a la vieja sociedad donde se fomentaba el pensamiento libre y se permitía a la gente expresar opiniones diferentes. Durante la visita de Beatty, Millie organiza nerviosamente el dormitorio e intenta quitarle la almohada a Montag. Cuando él no la deja, ella pone su mano debajo y encuentra el libro escondido. Millie está asombrada y, aunque no renuncia directamente a su marido, le pregunta a Beatty qué pasaría si un bombero trajera un libro a casa. Beatty dice que los bomberos pueden traer un libro a casa, pero deben quemarlo dentro de las 24 horas.
Cuando Beatty se va, Montag recupera unos 20 libros que ha robado de las alarmas a lo largo de los años y comienza a leer. Inseguro sobre qué hacer a continuación, Montag recuerda haber conocido a un profesor jubilado, Faber, un año antes y discutir con el anciano el valor de las ideas. Decide visitar a Faber, quien al principio tiene miedo de hablar con él, por temor a ser la próxima víctima del bombero. Sin embargo, a medida que los dos hombres comienzan a confiar el uno en el otro, Faber se convierte en mentor de Montag, comparte sus conocimientos con el bombero y conspira con él para hacer copias de sus libros. Faber le da a Montag una pequeña radio bidireccional de su propia invención para que se la inserte en el oído para que los dos hombres siempre estén en comunicación.
En casa, Montag se disgusta con su esposa y sus amigos mientras se sientan ociosos, miran televisión y se involucran en chismes que revelan su egoísmo y falta de conciencia o preocupación por la inminente guerra atómica. Contra las objeciones de Faber que fluyen a través de la radio secreta que resuena en su oído, Montag involucra a las mujeres en un debate sobre la familia y la política. A continuación, les lee un libro de poesía. Los amigos de Mildred reaccionan emocionalmente a la lectura de Montag, llorando y sin comprender la fuente de sus lágrimas. Cuando los dos amigos temblorosos de Mildred se van, ella se retira a su habitación para tomar algunas pastillas para dormir y Montag esconde sus libros en el patio trasero antes de irse al trabajo, donde Beatty se involucra en una retórica más anti-libro y anti-intelectual. Los bomberos son llamados a una alarma y Montag se siente consternado al descubrir que es su propia casa la que va a ser incendiada. Su esposa Millie lo denunció.
Después de quemar su casa y sus pertenencias, habitación por habitación, según lo ordenado por el Capitán Beatty, Montag es reprendido por su jefe, y los dos hombres se pelean, durante la cual la radio de Faber sale del oído de Montag. Cuando Beatty comenta que tanto Montag como su «amigo» (Faber) serán tratados con severidad, Montag lo amenaza con el lanzallamas. Cuando Beatty continúa abusando verbalmente de él, Montag acciona el interruptor y mata al jefe. Inmediatamente, el Mechanical Hound, un perro de ataque computarizado que puede rastrear a cualquier ser humano mediante el olfato, lo persigue. El Sabueso lo apuñala en la pierna con una aguja de procaína, pero Montag es capaz de aniquilarlo con el lanzallamas antes de que pueda hacer más daño. Montag recupera los libros que le quedan del patio antes de correr hacia el de Faber. En el camino, hace una pausa para plantar los libros en la casa del bombero Black, se recupera brevemente en una gasolinera donde escucha informes de que la guerra ha sido declarada, y al cruzar la calle es casi atropellado por un conductor imprudente.
Faber proporciona refugio a Montag, quien está siendo perseguido con vehemencia por un segundo Sabueso Mecánico y las autoridades. Faber le da a Montag algo de ropa vieja (enmascarando su olor e impidiendo así al Sabueso Mecánico), y le dice que vaya al río y flote río abajo hasta las vías del tren, donde con suerte encontrará un campamento de vagabundos de forajidos intelectuales que puedan ayudarlo. . A su vez, Montag anima a Faber a que encienda todos sus aspersores para arrojar al Perro de su olor. Montag se marcha, Faber sigue su consejo y luego se dirige a St. Louis para encargar a un antiguo impresor que conoce que imprima algunos libros. Montag flota río abajo, evitando con éxito al Sabueso, y se encuentra con un grupo de antiguos escritores, clérigos y académicos junto a la orilla del río. El líder del grupo, un autor llamado Granger, le da la bienvenida a Montag y le ofrece un brebaje para cambiar su pH para que el Perro no pueda detectar su presencia. Luego, los hombres usan un televisor portátil para ver la persecución policial que ha causado la fuga de Montag. Montag se sorprende al ver al Sabueso Mecánico matar a otro hombre mientras el locutor proclama: «¡Montag está muerto!» La policía, no queriendo perder la confianza del público, lanzó al Perro tras un hombre inocente cuando perdió el rastro de Montag.
Granger le dice a Montag cómo los hombres de su campamento han memorizado obras literarias para que algún día, cuando sea seguro hacerlo, puedan volver a imprimir libros y recrearlos de memoria. Cuando las bombas atómicas destruyen la ciudad, los hombres se dispusieron a tamizar los escombros y empezar de nuevo. Planean fomentar una sociedad donde los libros y el pensamiento libre puedan florecer.