Le récit est mené par un narrateur omniscient à la troisième personne, caractéristique du réalisme balzacien : il pénètre les pensées de ses personnages, décrit minutieusement les milieux sociaux et intervient souvent par des commentaires généraux sur la société. L'action se déroule entre 1821 et 1823 environ, partagée entre Angoulême, ville de province conservatrice, et Paris, capitale des ambitions et des corruptions. Le ton mêle l'analyse sociologique, l'ironie mordante envers le monde des lettres et une compassion mesurée pour les illusions de la jeunesse. Le roman se compose de trois parties : Les Deux Poètes, Un grand homme de province à Paris et Les Souffrances de l'inventeur.
À Angoulême, le vieux Séchard, imprimeur avare et rusé, vend à prix d'or son imprimerie vétuste à son propre fils, David Séchard. David, esprit scientifique et rêveur, accepte pour aider son ami Lucien Chardon, jeune homme d'une beauté remarquable, fils d'un pharmacien mort ruiné et d'une mère aristocrate déclassée. Les deux amis partagent une amitié profonde : David admire le génie poétique de Lucien, Lucien s'appuie sur la stabilité affectueuse de David.
Lucien, qui rêve de gloire littéraire, est introduit dans le salon de Louise de Bargeton, épouse d'un vieux gentilhomme provincial. Elle s'enthousiasme pour ses vers et pour sa beauté. Lucien, encouragé, prend le nom de sa mère et se fait appeler Lucien de Rubempré, croyant ainsi effacer sa condition roturière. Une passion romanesque naît entre eux, mêlée d'ambition sociale chez Lucien et d'ennui provincial chez Louise. Une soirée poétique organisée chez Mme de Bargeton tourne au ridicule : la petite noblesse locale se moque de Lucien.
Parallèlement, David tombe amoureux d'Ève, la sœur de Lucien, jeune fille douce et courageuse. Ils se marient malgré la pauvreté. Mais un scandale éclate : M. de Bargeton se bat en duel pour l'honneur de sa femme, compromise par les attentions de Lucien. Louise décide de fuir à Paris et propose à Lucien de l'y suivre. Ève et David, désireux de soutenir les ambitions de Lucien, rassemblent leurs maigres économies pour financer son voyage. Lucien quitte Angoulême avec des rêves de gloire immédiate.
À peine arrivés dans la capitale, Louise de Bargeton comprend que Lucien, mal habillé et gauche, la déshonore aux yeux du monde parisien. Sa cousine, la marquise d'Espard, femme influente et calculatrice, lui fait sentir combien Lucien est ridicule. Lors d'une sortie à l'Opéra, humiliation publique : Louise se détache brutalement de son jeune amant. Abandonné, Lucien s'installe dans un misérable hôtel du Quartier latin et découvre la solitude glaciale de Paris.
Rejeté par le monde, Lucien fait la connaissance de Daniel d'Arthez, jeune écrivain travailleur et intègre, qui l'introduit dans le Cénacle, cercle d'amis pauvres mais purs : le philosophe Louis Lambert, le savant Bianchon, le républicain Michel Chrestien. Ils incarnent une voie exigeante : le travail patient, la fidélité aux convictions, le refus du compromis. D'Arthez conseille à Lucien de retravailler son roman historique, L'Archer de Charles IX, et de mépriser les facilités du journalisme.
La misère et l'impatience emportent Lucien. Une rencontre décisive a lieu au Luxembourg avec Étienne Lousteau, journaliste cynique et désabusé. Lousteau initie Lucien aux coulisses de la presse parisienne : les articles se vendent, les réputations se fabriquent, les livres se démolissent selon les intérêts du moment. Il l'entraîne dans les bureaux de journaux, chez le libraire Dauriat qui refuse dédaigneusement d'ouvrir le recueil de sonnets Les Marguerites que Lucien lui apporte.
Lousteau introduit Lucien dans les coulisses du Panorama-Dramatique, où le jeune homme rencontre Coralie, comédienne d'une grande beauté entretenue par un riche droguiste, Camusot. Coralie tombe passionnément amoureuse de Lucien et quitte pour lui son protecteur. Le poète, ébloui, s'installe avec elle dans un luxe factice fondé sur les crédits et les articles vendus. Lucien écrit son premier article, un éreintement brillant du roman de Nathan, qu'il admire pourtant. Le succès est immédiat : on le célèbre dans les rédactions, on l'invite partout.
Lucien, grisé, croit pouvoir jouer sur tous les tableaux. Séduit par la marquise d'Espard et la duchesse de Maufrigneuse, qui lui font miroiter la reconnaissance de son nom de Rubempré par une ordonnance royale, il accepte de passer du journal libéral au journal royaliste. Cette trahison lui vaut la haine de ses anciens collègues. D'Arthez lui adresse une lettre grave, l'avertissant qu'il se perd. Lousteau et ses amis, blessés, décident de le briser.
Les libéraux organisent contre Lucien une cabale méthodique : son recueil Les Marguerites, enfin publié par Dauriat, est démoli par la presse ; son roman L'Archer de Charles IX, dont d'Arthez a corrigé de nombreux passages, est également éreinté ; Coralie, sifflée dans un rôle, tombe malade. Ruiné, criblé de dettes, Lucien tente désespérément d'écrire des articles pour payer les créanciers. Pour couvrir les frais des funérailles de Coralie, morte de chagrin et d'épuisement, il en est réduit à composer des chansons grivoises. Il a en outre signé des lettres de change au nom de David Séchard, entraînant son beau-frère dans sa chute.
Anéanti, Lucien reprend le chemin d'Angoulême à pied. Pendant son absence parisienne, David a poursuivi patiemment ses recherches pour découvrir un procédé de fabrication de papier bon marché, susceptible de faire sa fortune. Mais les frères Cointet, imprimeurs concurrents, ont préparé sa ruine avec la complicité de son clerc Cérizet et de l'avoué Petit-Claud, qui joue double jeu. Les traites falsifiées par Lucien à Paris arrivent : David, poursuivi pour dettes, doit se cacher.
À son retour, Lucien retrouve Ève, épuisée, et sa mère devenue garde-malade. Sa présence attire l'attention sur David. Croyant bien faire, Lucien participe à un projet de réconciliation littéraire pour obtenir de l'argent ; il rédige aussi un article destiné à sauver la situation. Mais Petit-Claud manipule tout : il persuade Lucien d'écrire à son beau-frère caché, et la lettre est interceptée. David est arrêté. Contraint de céder son secret aux Cointet contre un règlement médiocre, l'inventeur perd le fruit de ses années de travail.
Accablé de honte, Lucien quitte à nouveau Angoulême, résolu à se noyer dans la Charente. Sur la route, il croise un mystérieux ecclésiastique espagnol qui se présente sous le nom de Carlos Herrera. Cet homme, qui n'est autre que le forçat Vautrin sous un nouveau déguisement, écoute la confession du jeune homme, lui offre de l'argent pour sauver sa famille et lui propose un pacte : renoncer à ses illusions de poète pour devenir, sous sa protection, un instrument de puissance sociale. Lucien accepte et remonte dans la calèche du faux prêtre.
À Angoulême, David et Ève, dépossédés de l'invention, se retirent à la campagne avec la petite somme obtenue des Cointet. Ils y trouvent un bonheur modeste, loin des ambitions et des vanités. David abandonne l'imprimerie et se consacre à une vie paisible. Le récit s'achève sur ce contraste saisissant entre la sagesse retrouvée des Séchard et la nouvelle voie, plus sombre et plus dangereuse, qui s'ouvre pour Lucien aux côtés de Vautrin — préparant les événements de Splendeurs et misères des courtisanes.