Действие романа происходит в будущем. Повествование идёт от лица Д-503 - главного инженера и гениального математика, что работает над созданием космического корабля «Интеграл». Все свои размышления и описания быта он вносит в личный дневник, где прославляет единое государство, в котором живет. Главного героя восхищает то, с каким расчетом и математичностью движется вся жизнь вокруг. Жители единого государства зовут номерами, все они просыпаются в одно и тоже время. В один час начинают и заканчивают работу, а концу дня одновременно отправляются спать. Также в государстве существуют табели сексуальных дней, где для каждой встречи отводится определенное время и место. Люди записываются в системе друг за другом и посещают друг друга в нужные часы.
В один из дней Д-503 гуляет вместе с записанной на него подругой по имени О-90. Беззаботный отдых героя прерывает незнакомка с белоснежными зубами. Она заговаривает с Д-503 и он сразу же замечает какой-то раздражающий x в её глазах. Зовут незнакомку I-330. Герою кажется, что девушка будто читает его мысли. Спустя несколько дней Д-503 получает приглашение от своей новой знакомой посетить один из древних домов. [Screen]Герои прилетают туда она аэро и находят дом, который сейчас представляет из себя некий музей. Внутри их застает старый рояль, памятник Пушкину и целое буйство форм и красок. I-330 просит героя остаться здесь вместе с ней и тем самым нарушить весь распорядок дня. Д-503 отказывается и собирается довести на неё в бюро хранителей, но на следующий день вместо этого он отправляется в медицинское бюро. Герой считает, что болен, и доктор освобождает его от работы на некоторое время. Далее Д-503 вместе с другими номерами приходят на площадь куба, где должна состояться казнь. Виновником выступает поэт написавшие непозволительные стихи о Величайшем Благодетеле. Приговор зачитывает близкий товарищ Д-503, поэт R13. Преступника казнит сам благодетель мощным испепеляющим лучом. Последствии от номера остается лишь лужа простой воды.[/Screen]
[Screen]Позже герой получает извещение о том, что на него записалась та самая I-330. Инженер вовремя приходит к ней навстречу. Девушка издевается над ним. Она пьет ликер и курит древние папиросы.[/Screen] В какой-то момент она заставляет даже героя отведать алкоголь - через поцелуй. Д-503 не знает как ему поступить: по закону он обязан сообщить о подобном в бюро хранителей, ведь курение и спиртные напитки запрещены в едином государстве, но сделать этого герой не может. Что-то будто удерживает его. Тем же вечером он пишет в своём дневнике, что теряет себя и больше не может служить, как раньше своему государству. Затем он приходит к заключению, что внутри него живут две личности. Одна - прежняя невинная как Адам, другая - дикая и необузданная и ревнующая. Герой окончательно запутывается в себе и не знает какое «Я» теперь настоящее.
Д-503 теперь постоянно думает о своей любви и не может прожить и дня без I330, но к сожалению он не может нигде её найти. Герой знакомится с хранителем S-4711, который якобы является приятелем I330. Хранитель помогает инженеру добраться до медицинского бюро. Там герою ставят неизлечимый диагноз - образование душе. Эта странная болезнь стала всё чаще появляться у многих номеров в последнее время.
Герой решает вновь посетить старый дом. Он попадает в ту же квартиру, где они были вместе с I330. Он думает, куда она могла исчезнуть. Его внимание привлекает шкаф. Открыв дверцу и зайдя внутрь, герой внезапно начинает спускаться вниз. Он попадает в темную пещеру, где слышит голос знакомого доктора из медицинского бюро. Доктор просит его подождать и через некоторое время к Д-503 приходит его возлюбленная. Вместе они покидают странное подземелье, а героя тем временем охватывают невообразимые чувства. Подруга Д-503 О-90 понимает, что её избранник влюблен в другую и поэтому снимает свою запись с него. Она приходит к нему проститься напоследок и признается, что желает завести от него ребенка. Девушке хочется почувствовать внутри себя жизнь и плод истиной любви, пока государство не отберет у неё младенца на воспитание. Д-503 не решается ей отказать и выполняет просьбу женщины.
I330 посещает влюбленного инженера. Он признается ей в своих чувствах и говорит, что она ему что-то недоговаривает. Он устает постоянно ждать её и быть в неведении, на что девушка говорит ему, что Д-503 всё узнаёт после дня единогласия, но только при условии, что он не побоится следовать за своей возлюбленной повсюду.
Наступает день единогласия. В своём дневнике герой сравнивает данный праздник с древней Пасхой. Каждый год все жители единого государства выбирают своего благодетеля, что по сути является торжеством воли единого «Мы». Все вновь собираются на площади Куба. Тяжелый и медленный голос благодетеля спрашивает: «Кто за?» и просит поднять руки. Вверх возносятся миллион рук. Среди них есть и рука Д-503, который делает это не так уверенно как окружающие. Далее звучит вопрос: «Кто против?» и среди многомиллионные толпы появляются тысячи рук. В одной из них герой узнает I330. Вокруг начинается хаос. Герой видит лишь растерянные фигуры хранителей, и как кто-то уносит его возлюбленную на руках. Д-503 прорывается через толпу, выхватывает у врагов I330. Девушка вся в крови и без сознания. Герой крепко прижимает её к себе и сбегает с площади. На следующий день в единой государственной газете пестрит заголовок, что благодетель единогласно выбран в очередной раз, а по всему городу появляются странные листовки с надписью «Мефи».
Герои вновь оказывается в подземельях под древним домом. Они покидают пределы города и выходят за зеленую стену. Д-503 поражает яркий свет, шум и гам вокруг, от чего у него даже начинает кружится голова. Инженер впервые видит диких людей. Все они покрыты шерстью, но выглядят крайне жизнерадостно. I330 знакомит дикий народ с Д-503 и говорит им, что он поможет захватить космический корабль «Интеграл», над которым так долго работал. Их цель - разрушить стену, отделяющую единое государство от остального мира.
Во время разговора герой замечает массивную надпись «Мефи» на одном из камней. Д-503 считает, что горожанам нужно встретиться с дикими людьми и сравнивает их всех с H2O, где H2 жители государства, а О - это люди за зеленой стеной, и только вместе они способны обрести нужную целостность.
I330 открывает Д-503 весь план «Мефи». Они должны захватить корабль во время испытательного полёта. Затем они используют интеграл, как оружие против единого государства, и технология поможет им закончить всё гладко и быстро. Героя мучают сомнения на этот счет, ведь если грядет революция, блаженного покоя больше не будет и равновесие будет нарушено. Д-503 думает о том, чтобы сдать всех противников государства в бюро, но потом понимает, что и сам находится среди них. Также его посещают мысли, что I330 с ним только из-за корыстных целей.
На следующее утро в газетах пишут о великой операции. Её цель - это уничтожение фантазий в головах всех номеров. Каждый житель государства обязан явиться на процедуру, дабы затем стать совершенным равным машинам. Д-503 задумывается о том чтобы провести операцию на себе, ведь тогда он лишится души и навсегда будет свободен от любви. Но герой не может остаться без своей возлюбленной, и он больше не желает спасение.
Шагая по улице, инженер видит как люди выстраиваются в очередь на операцию в аудиториуме. Он слышит крик. Непрошедших операцию насильно берут в круг и загоняют в помещение. Д-503 удается сбежать. Он прячется в каком-то подъезде. Там он видит O90. она также скрывается здесь от операции и хочет спасти не только себя, но и их будущее дитя. Герой оставляет ей записку для I330 и говорит? чтобы она шла к ней.
На следующий день назначен первый испытательный полет «Интеграла». Герой вместе с членами «Мефи» пробирается на борт. Они взмывают вверх и видят синее небо. В радиорубке Д встречает I330 в крылатом шлеме. Она напоминает ему древнюю валькирию. Девушка говорит, что вчера вечером её посетила О. I330 отправила её за стену, и теперь ей ничего не угрожает. Время обеда, и все номера собираются в столовой. Внезапно разносится крик. Некто от имени хранителей говорит, что им всё известно, и что они не позволят сорвать испытания «Интеграла». Кто-то бьет Д по голове. Он видит дежурную, что несколько раз была в его комнате. Герой сразу же понимает, что она, вероятно, видела его дневник и прочитала всё о плане «Мефи».