20 мая 1859 г. Николай Петрович Кирсанов, сорокатрехлетний, но уже немолодой с виду помещик, волнуясь, ожидает на постоялом дворе своего сына Аркадия, который только что окончил университет.
Николай Петрович был сыном генерала, но предназначенная ему военная карьера не состоялась (он в молодости сломал ногу и на всю жизнь остался «хроменьким»). Николай Петрович рано женился на дочке незнатного чиновника и был счастлив в браке. К его глубокому горю, супруга в 1847 г. скончалась. Все свои силы и время он посвятил воспитанию сына, даже в Петербурге жил вместе с ним и старался сблизиться с товарищами сына, студентами. Последнее время он усиленно занялся преобразованием своего имения.
Наступает счастливый миг свидания. Однако Аркадий появляется не один: с ним высокий, некрасивый и самоуверенный молодой человек, начинающий доктор, согласившийся погостить у Кирсановых. Зовут его, как он сам себя аттестует, Евгений Васильевич Базаров.
Разговор отца с сыном на первых порах не клеится. Николая Петровича смущает Фенечка, девушка, которую он содержит при себе и от которой уже имеет ребёнка. Аркадий снисходительным тоном (это слегка коробит отца) старается сгладить возникшую неловкость.
Дома их ждёт Павел Петрович, старший брат отца. Павел Петрович и Базаров сразу же начинают ощущать взаимную антипатию. Зато дворовые мальчишки и слуги гостю охотно подчиняются, хотя он вовсе и не думает искать их расположения.
Уже на следующий день между Базаровым и Павлом Петровичем происходит словесная стычка, причём её инициатором является Кирсанов-старший. Базаров не хочет полемизировать, но все же высказывается по главным пунктам своих убеждений. Люди, по его представлениям, стремятся к той или иной цели, потому что испытывают различные «ощущения» и хотят добиться «пользы». Базаров уверен, что химия важнее искусства, а в науке важнее всего практический результат. Он даже гордится отсутствием у него «художественного смысла» и полагает, что изучать психологию отдельного индивидуума незачем: «Достаточно одного человеческого экземпляра, чтобы судить обо всех других». Для Базарова не существует ни одного «постановления в современном нашем быту... которое бы не вызвало полного и беспощадного отрицания». О собственных способностях он высокого мнения, но своему поколению отводит роль не созидательную — «сперва надо место расчистить».
Павлу Петровичу «нигилизм», исповедуемый Базаровым и подражающим ему Аркадием, представляется дерзким и необоснованным учением, которое существует «в пустоте».
Аркадий старается как-то сгладить возникшее напряжение и рассказывает другу историю жизни Павла Петровича. Он был блестящим и многообещающим офицером, любимцем женщин, пока не встретил светскую львицу княгиню Р*. Страсть эта совершенно изменила существование Павла Петровича, и, когда роман их закончился, он был полностью опустошён. От прошлого он сохраняет лишь изысканность костюма и манер да предпочтение всего английского.
Взгляды и поведение Базарова настолько раздражают Павла Петровича, что он вновь атакует гостя, но тот довольно легко и даже снисходительно разбивает все «силлогизмы» противника, направленные на защиту традиций. Николай Петрович стремится смягчить спор, но и он не может во всем согласиться с радикальными высказываниями Базарова, хотя и убеждает себя, что они с братом уже отстали от жизни.
Молодые люди отправляются в губернский город, где встречаются с «учеником» Базарова, отпрыском откупщика, Ситниковым. Ситников ведёт их в гости к «эмансипированной» даме, Кукшиной. Ситников и Кукшина принадлежат к тому разряду «прогрессистов», которые отвергают любые авторитеты, гоняясь за модой на «свободомыслие». Они ничего толком не знают и не умеют, однако в своём «нигилизме» оставляют далеко за собой и Аркадия, и Базарова. Последний Ситникова откровенно презирает, а у Кукшиной «занимается больше шампанским».
Аркадий знакомит друга с Одинцовой, молодой, красивой и богатой вдовой, которой Базаров сразу же заинтересовывается. Интерес этот отнюдь не платонический. Базаров цинично говорит Аркадию: «Пожива есть...»
Аркадию кажется, что он влюблён в Одинцову, но это чувство напускное, тогда как между Базаровым и Одинцовой возникает взаимное тяготение, и она приглашает молодых людей погостить у неё.
В доме Анны Сергеевны гости знакомятся с её младшей сестрой Катей, которая держится скованно. И Базаров чувствует себя не в своей тарелке, он на новом месте начал раздражаться и «глядел сердито». Аркадию тоже не по себе, и он ищет утешения в обществе Кати.
Чувство, внушённое Базарову Анной Сергеевной, ново для него; он, так презиравший всякие проявления «романтизма», вдруг обнаруживает «романтика в самом себе». Базаров объясняется с Одинцовой, и хотя та не тотчас же освободилась от его объятий, однако, подумав, она приходит к выводу, что «спокойствие <…> лучше всего на свете».
Не желая стать рабом своей страсти, Базаров уезжает к отцу, уездному лекарю, живущему неподалёку, и Одинцова не удерживает гостя. В дороге Базаров подводит итог происшедшему и говорит: «...Лучше камни бить на мостовой, чем позволить женщине завладеть хотя бы кончиком пальца. Это всё <…> вздор».
Отец и мать Базарова не могут надышаться на своего ненаглядного «Енюшу», а он скучает в их обществе. Уже через пару дней он покидает родительский кров, возвращаясь в имение Кирсановых.
От жары и скуки Базаров обращает внимание на Фенечку и, застав её одну, крепко целует молодую женщину. Случайным свидетелем поцелуя становится Павел Петрович, которого до глубины души возмущает поступок «этого волосатого». Он особенно негодует ещё и потому, что ему кажется: в Фенечке есть что-то общее с княгиней Р*.
Согласно своим нравственным убеждениям, Павел Петрович вызывает Базарова на поединок. Чувствуя себя неловко и, понимая, что поступается принципами, Базаров соглашается стреляться с Кирсановым-старшим («С теоретической точки зрения дуэль — нелепость; ну, а с практической точки зрения — это дело другое»).
Базаров слегка ранит противника и сам подаёт ему первую помощь. Павел Петрович держится хорошо, даже подшучивает над собой, но при этом и ему и Базарову неловко. Николай Петрович, от которого скрыли истинную причину дуэли, также ведёт себя самым благородным образом, находя оправдание для действий обоих противников.
Последствием дуэли становится и то, что Павел Петрович, ранее решительно возражавший против женитьбы брата на Фенечке, теперь сам уговаривает Николая Петровича совершить этот шаг.
И у Аркадия с Катей устанавливается гармоничное взаимопонимание. Девушка проницательно замечает, что Базаров для них — чужой, потому что «он хищный, а мы с вами ручные».
Окончательно потерявший надежду на взаимность Одинцовой Базаров переламывает себя и расстаётся с ней и Аркадием. На прощание он говорит бывшему товарищу: «Ты славный малый, но ты все-таки мякенький, либеральный барич...» Аркадий огорчён, но довольно скоро утешается обществом Кати, объясняется ей в любви и уверяется, что тоже любим.
Базаров же возвращается в родительские пенаты и старается забыться в работе, но через несколько дней «лихорадка работы с него соскочила и заменилась тоскливою скукой и глухим беспокойством». Пробует он заговаривать с мужиками, однако ничего, кроме глупости, в их головах не обнаруживает. Правда, и мужики видят в Базарове что-то «вроде шута горохового».
Практикуясь на трупе тифозного больного, Базаров ранит себе палец и получает заражение крови. Через несколько дней он уведомляет отца, что, по всем признакам, дни его сочтены.
Перед смертью Базаров просит Одинцову приехать и попрощаться с ним. Он напоминает ей о своей любви и признается, что все его гордые помыслы, как и любовь, пошли прахом. «А теперь вся задача гиганта — как бы умереть прилично, хотя никому до этого дела нет... Все равно: вилять хвостом не стану». С горечью говорит он, что не нужен России. «Да и кто нужен? Сапожник нужен, портной нужен, мясник...»
Когда Базарова по настоянию родителей причащают, «что-то похожее на содрогание ужаса мгновенно отразилось на помертвевшем лице».
Проходит шесть месяцев. В небольшой деревенской церкви венчаются две пары: Аркадий с Катей и Николай Петрович с Фенечкой. Все были довольны, но что-то в этом довольстве ощущалось и искусственное, «точно все согласились разыграть какую-то простодушную комедию».
Со временем Аркадий становится отцом и рьяным хозяином, и в результате его усилий имение начинает приносить значительный доход. Николай Петрович принимает на себя обязанности мирового посредника и усердно трудится на общественном поприще. Павел Петрович проживает в Дрездене и, хотя по-прежнему выглядит джентльменом, «жить ему тяжело».
Кукшина обитает в Гейдельберге и якшается со студентами, изучает архитектуру, в которой, по её словам, она открыла новые законы. Ситников женился на княжне, им помыкающей, и, как он уверяет, продолжает «дело» Базарова, подвизаясь в роли публициста в каком-то тёмном журнальчике.
На могилу Базарова часто приходят дряхлые старички и горько плачут и молятся за упокой души безвременно усопшего сына. Цветы на могильном холмике напоминают не об одном спокойствии «равнодушной» природы; они говорят также о вечном примирении и о жизни бесконечной...