Le récit est mené à la troisième personne par un narrateur omniscient qui adopte tour à tour le regard d'Étienne Lantier, celui des mineurs et celui de la bourgeoisie de Montsou, avec des descriptions puissamment visuelles et symboliques caractéristiques du naturalisme zolien. L'action se déroule dans le bassin houiller du Nord de la France, autour du coron des Deux-Cent-Quarante et de la fosse du Voreux, entre l'hiver 1866 et le printemps 1867 environ. Le ton mêle observation quasi documentaire, souffle épique et vision presque mythique : la mine devient une bête dévorante, la foule ouvrière une force tellurique, et la fin porte l'annonce prophétique d'une germination révolutionnaire.
Par une nuit glaciale de mars, Étienne Lantier, jeune machineur renvoyé de son emploi à Lille, marche sur la route de Marchiennes à Montsou. Il rencontre le vieux Bonnemort, charretier de la fosse du Voreux, qui lui raconte l'histoire de la Compagnie des mines et la vie usée des Maheu, sa famille de mineurs depuis plusieurs générations. Étienne est embauché comme herscheur dans l'équipe de Maheu, chef de famille du coron des Deux-Cent-Quarante, où il descend pour la première fois au fond du puits. Il découvre l'enfer souterrain : la chaleur, l'eau, la poussière, le travail au marteau-piqueur dans les veines étroites. Il fait la connaissance de Catherine Maheu, la fille aînée, qu'il prend d'abord pour un garçon, et de Chaval, un ouvrier brutal qui la considère comme sa possession. Une attirance immédiate mais contrariée naît entre Étienne et Catherine.
Le récit s'éloigne de la fosse pour montrer la bourgeoisie locale. Les Grégoire, rentiers actionnaires de Montsou, mènent une existence confortable et paternaliste avec leur fille Cécile. Les Hennebeau, dont le mari est directeur des mines, incarnent une bourgeoisie plus froide et plus tourmentée ; leur neveu Paul Négrel, ingénieur, entretient une liaison avec Madame Hennebeau. La Maheude vient mendier auprès des Grégoire, qui refusent de lui donner de l'argent mais lui offrent des vêtements : la scène met en évidence l'aveuglement de classe. Pendant ce temps, Chaval emmène Catherine dans un hangar et abuse d'elle ; désormais, elle lui appartient, au grand désespoir muet d'Étienne, qui a été accueilli en pension chez les Maheu.
Étienne s'installe durablement dans le coron et observe la vie ouvrière : la promiscuité, la fatigue, les amours adolescentes, la bière du cabaretier Rasseneur, ancien mineur renvoyé pour ses idées. Étienne se lie avec lui et découvre les débats socialistes. Par correspondance avec Pluchart, militant marxiste, il se convertit aux idées de l'Internationale et se met à lire avec passion. Il fonde une caisse de prévoyance destinée à préparer une future grève. Son autorité intellectuelle grandit dans le coron. Il rencontre aussi Souvarine, machiniste russe réfugié, anarchiste nihiliste qui rêve d'une destruction totale de la société. Catherine, désormais avec Chaval, quitte la maison familiale, laissant Étienne rongé par un désir muet.
La Compagnie, sous prétexte de la crise industrielle, impose un nouveau mode de paiement du boisage qui revient à baisser les salaires. La colère monte. Sous l'influence d'Étienne, les Maheu et les autres mineurs décident la grève. Étienne prend la tête du mouvement et devient le porte-parole des ouvriers. Une réunion clandestine se tient dans la forêt de Vandame, au Plan-des-Dames : à la lumière de la lune, devant des milliers de mineurs, Étienne prononce un discours enflammé qui appelle à la résistance et à la justice. La foule vote la poursuite de la grève. Rasseneur, jugé trop modéré, est écarté ; Souvarine, méprisant les demi-mesures, reste en retrait. Une délégation menée par Maheu se rend chez Hennebeau pour présenter les revendications : le directeur oppose la logique implacable du capital.
La grève s'enlise, la faim s'installe dans les corons. Les Maheu vendent leurs derniers biens, la Maheude court les routes pour mendier. La Compagnie fait venir des ouvriers belges pour reprendre le travail. Exaspérée, la foule des grévistes se rassemble et parcourt les fosses environnantes pour interrompre la production. La marche devient une émeute grandiose : la Mouquette montre son derrière aux bourgeois, les femmes hurlent, les hommes brandissent des barres de fer. À Jean-Bart, Catherine et Chaval, qui ont repris le travail, sont pris à partie ; Étienne se bat contre Chaval. La foule pille, saccage les machines, coupe les câbles. Le déchaînement culmine avec la mise à mort et la castration symbolique de Maigrat, l'épicier haï qui exigeait des faveurs sexuelles des femmes en échange de crédit. Les femmes exhibent son sexe au bout d'un bâton : scène apocalyptique où la misère se venge.
La bourgeoisie de Montsou, terrorisée, se barricade. Cécile Grégoire, réfugiée chez les Hennebeau, échappe de peu à la fureur du vieux Bonnemort, qui l'étrangle à demi dans un moment de démence. La troupe est appelée. Devant la fosse du Voreux, les mineurs affamés font face aux soldats. Étienne tente de contenir la foule, mais les pierres volent, les fusils tirent : plusieurs mineurs sont tués, dont Maheu, atteint en pleine poitrine. La Maheude, effondrée, maudit la Compagnie. La répression brise la grève. Étienne, désormais accusé et menacé, se cache dans un hangar. Les mineurs, vaincus par la faim et le deuil, reprennent lentement le chemin de la fosse.
Souvarine, désespéré par la reddition des ouvriers et bouleversé par la mort de sa lapine Pologne écrasée dans la foule, décide d'agir seul. Il descend clandestinement dans le Voreux et scie le cuvelage du puits pour provoquer l'inondation. Le lendemain, alors que la reprise s'effectue, la fosse s'effondre dans un cataclysme spectaculaire : le sol s'affaisse, les bâtiments s'engouffrent, la mine devient un gouffre monstrueux. Étienne, Catherine et Chaval sont pris au fond. Dans une galerie noyée, Étienne tue Chaval au terme d'un affrontement où éclate la haine accumulée. Restés seuls, épuisés, Étienne et Catherine s'aiment enfin ; Catherine meurt dans ses bras. Étienne est sauvé après plusieurs jours. Souvarine, lui, a disparu, parti porter ailleurs son nihilisme. Convalescent, Étienne quitte Montsou par une matinée d'avril. En traversant la plaine, il entend sous ses pieds le bruit sourd des camarades qui piochent : il sent lever la génération future, l'armée noire qui, tôt ou tard, fera éclater la terre. Le roman s'achève sur cette vision prophétique de germination révolutionnaire à laquelle le titre fait écho.