A história é narrada por meio de uma série de relatórios de progresso escritos por Charlie Gordon, um homem com deficiência intelectual que trabalha em uma padaria em Nova York. Charlie possui um QI muito baixo e enfrenta dificuldades em compreender e se adaptar ao mundo ao seu redor. Porém, ele é escolhido para participar de um experimento científico inovador que visa aumentar sua inteligência.

O experimento já havia sido testado com sucesso em Algernon, um rato de laboratório, que se tornou excepcionalmente inteligente após uma cirurgia cerebral. Os cientistas acreditam que o procedimento pode ter o mesmo efeito em seres humanos. Consequentemente, eles decidem realizar a cirurgia em Charlie, com a esperança de melhorar sua inteligência e qualidade de vida.

Após a cirurgia, a inteligência de Charlie começa a aumentar dramaticamente. Ele começa a aprender rapidamente, a compreender conceitos complexos e a desenvolver habilidades excepcionais em diversas áreas. À medida que sua inteligência floresce, ele documenta sua jornada emocional e intelectual nos relatórios de progresso, expressando suas alegrias, dúvidas e questionamentos.

Enquanto Charlie experimenta o mundo de uma nova perspectiva, ele também começa a perceber a maneira como as pessoas ao seu redor o tratam. Antes, ele era alvo de risadas e escárnio, mas agora ele é admirado por sua inteligência. No entanto, Charlie começa a se dar conta das nuances do comportamento humano, incluindo a falsidade e as motivações ocultas das pessoas.

Conforme Charlie se torna mais inteligente, ele desenvolve uma amizade próxima com Alice, uma professora que estava envolvida no experimento. A relação entre eles se aprofunda à medida que Charlie enfrenta desafios emocionais e éticos, como lidar com seu passado, a descoberta de seu verdadeiro eu e os dilemas éticos da pesquisa científica.

No entanto, a história toma um rumo triste à medida que Algernon, o rato de laboratório, começa a regredir em sua inteligência, demonstrando efeitos colaterais preocupantes do procedimento. À medida que Charlie continua a avançar intelectualmente, ele se esforça para entender o que está acontecendo com Algernon e qual poderia ser seu próprio destino.