故事讲述一个智商仅仅68，32岁的弱智成人查理· 高登的自述。查理由于先天弱智而受其父母冷眼，为送出了家门，在叔叔的帮助下在一家面包店做打扫卫生的工作。纯真善良的他以为世界万物都相当美好，即使面包店欺负他的工作伙伴当被他当作好朋友。

他明白自己不聪明，不符母亲的期望，所以特别渴望聪明。后来他得到了一个机会，成了二位心理科学家的实验物体，接受脑部手术，预期智商刻意提高几倍。实验室在很多次的动物身上做过实验，叫做阿尔吉侬Algernon的小白鼠是最成功的一只。阿尔吉侬比一般老鼠聪明得多，肯愿意合作。从手术前，查理就开始给两位心理学家每天写报告，好让他们知道他的进度。这本书，就是查理的一篇篇自述日记。

实验后。查理从一个几乎是文盲的人变成精通数学、物理、哲学和语言的天才。他喜欢上了给弱智成人上课的，也是推荐他做手术的老师凯妮恩小姐，两人坠入爱河。同时，在面包店里，先前的同事开始妒嫉和唾弃他，结果他被赶出了面包店。在弱智状态时，他感觉世界和旁人都充满善意。变成了天才后，他不断挣扎──焦虑、不安、偏狭、猜忌。他的情商发展远远跟不上他飞速的智商发展。

他发现原来真实社会很多丑恶，人性并非真挚纯良，敏感的思绪为他带来智慧，和纠缠不清的痛苦。小时候模糊的记忆如同拼图一块一块显现。他去摆放了过去的爸爸妈妈和妹妹，他们的生活处境让他心痛。查理像海绵一样吸收知识的时候也看到那些人性里的黑暗，伤害与被伤害，以及孤独，几乎绝望的孤独。

就在查理的智商达到顶峰的时候，一件意想不到的事情发生了：阿尔吉侬，曾经聪明一时的小白鼠，不愿意合作了，没过几天就死了。查理沉浸在悲痛中，他把阿尔吉侬埋在自己的后院里。世界上也只有他的智商能够研究透彻关于他的手术的前因后果。他没白天没黑夜的工作，最终发表他的著作阿尔吉侬-高登理论。他发现，他也即将经历类似阿尔吉侬的经历，而这种结果是不可避免的，是科学没有办法解决的。

很快他的智力快速退化，这使他极为惊恐。过不了多久，他绝望了，他已经开始变得健忘了，能读懂的书越来越少了。查理挣扎着不使自己失去记忆，可是他很快失去了推理能力，语言水平急速下降，最终把凯妮恩小姐推出自己的家门。

查理的智力回到了手术前的水平。他决定重新回到面包店工作，他得到了同事们的同情，并且恢复了和他们的关系。结局的时候，查理健忘地又回到了凯妮恩小姐的成人班里像往常一样听课，凯妮恩小姐无法承受，哭着跑出了教室。

仅有一点儿过去的记忆的他却突然回想起了动手术的事，他最终决定带上几本书籍离开纽约，去政府资助的弱智人社区渡过余生。他说他会坚持每天读书，希望终有一天能够重新获得智力，同时也恳请所有读到他的报告的人在阿尔吉侬的坟墓上再献上几束花。