Le récit est mené par un narrateur omniscient qui adopte tantôt le regard d'un observateur sociologue décrivant Paris et ses milieux, tantôt une focalisation interne sur Eugène de Rastignac, jeune provincial dont il épouse peu à peu la découverte du monde. L'action se déroule à Paris entre novembre 1819 et février 1820, principalement dans la pension Vauquer, misérable maison du quartier Latin, et dans les salons aristocratiques du faubourg Saint-Germain et de la Chaussée-d'Antin. Le ton oscille entre l'ironie mordante à l'égard de la société bourgeoise, la précision quasi documentaire du décor et le pathétique tragique lorsqu'il s'agit du père Goriot. Balzac ouvre son roman par une longue adresse au lecteur, promettant un drame vrai que la vie parisienne rend possible.
Le roman s'ouvre par la description minutieuse de la maison Vauquer, pension bourgeoise située rue Neuve-Sainte-Geneviève, tenue par la veuve Vauquer, femme âgée aux manières fausses et à l'avarice sordide. Balzac détaille les odeurs, le mobilier usé, la cour humide, dans une prose qui fait du lieu le reflet moral de ses habitants. Les pensionnaires sont présentés tour à tour : Mademoiselle Michonneau, vieille fille inquiétante ; Poiret, ancien fonctionnaire falot ; Victorine Taillefer, jeune fille douce reniée par son père millionnaire au profit de son frère ; Madame Couture, sa protectrice ; Bianchon, étudiant en médecine sérieux et loyal ; Vautrin, quadragénaire robuste au regard perçant, cachant sous une bonhomie de façade un passé mystérieux ; Eugène de Rastignac, étudiant en droit de vingt-deux ans, cadet d'une famille noble mais pauvre du Périgord ; et enfin le père Goriot, ancien fabricant de pâtes alimentaires, arrivé riche à la pension et désormais installé dans la mansarde la plus misérable, méprisé par tous.
Balzac remonte le temps pour raconter la déchéance de Goriot. Veuf éperdument attaché à ses deux filles, Anastasie et Delphine, il les a dotées somptueusement pour les marier, l'une au comte de Restaud, l'autre au banquier alsacien de Nucingen. Depuis, il vend peu à peu son argenterie, ses meubles, ses habits pour subvenir aux caprices et aux dettes secrètes de ses filles, qui le renient socialement mais viennent lui soutirer de l'argent en cachette. Les pensionnaires, ignorant la vérité, interprètent les visites de jeunes femmes élégantes comme les preuves d'une débauche du vieillard, qu'ils surnomment ironiquement le père Goriot.
Eugène, ébloui par les splendeurs entrevues à Paris, décide de tenter sa chance dans le monde plutôt que dans l'étude. Il obtient de sa cousine, la vicomtesse de Beauséant, l'une des reines du faubourg Saint-Germain, une invitation à un bal. Il y aperçoit la comtesse Anastasie de Restaud, dont la beauté le fascine, et se fait présenter. Le lendemain, il lui rend visite ; il commet la maladresse de nommer le père Goriot, qu'il a vu entrer dans l'hôtel par une porte dérobée. Anastasie, humiliée, le congédie sèchement. De retour chez Madame de Beauséant, Rastignac reçoit la leçon décisive du roman : la vicomtesse, elle-même trahie par son amant le marquis d'Ajuda-Pinto qui va épouser une riche héritière, lui explique que Paris est une jungle où il faut frapper sans pitié, traiter les hommes et les femmes comme des chevaux de poste, et qu'aucune femme ne l'aidera mieux que Delphine de Nucingen, l'autre fille de Goriot, jalouse de sa sœur et exclue du grand monde.
Rastignac écrit à sa mère et à ses sœurs pour leur demander leurs économies, geste qui le tourmente car il sait le sacrifice qu'il impose à sa famille. Vautrin, qui l'observe, lui propose alors un pacte cynique : séduire Victorine Taillefer, la pensionnaire délaissée, dont il se charge de faire l'unique héritière en faisant tuer le frère en duel par un complice. Rastignac, en échange, lui abandonnerait deux cent mille francs. Le jeune homme, tenté et horrifié à la fois, refuse dans un premier temps mais reste ébranlé par la lucidité brutale de Vautrin sur la société. Ce dernier lui expose sa philosophie : la vertu est un mensonge, la réussite exige le crime ou l'hypocrisie.
Rastignac se fait présenter à Delphine de Nucingen au théâtre, avec la complicité éperdue du père Goriot, ému que quelqu'un s'intéresse à ses filles. Delphine, malheureuse en ménage, délaissée par son mari qui contrôle sa fortune, et abandonnée par son amant de Marsay, se prend d'affection pour Eugène. Elle lui confie ses tourments financiers ; il gagne pour elle à la roulette du Palais-Royal une somme qui la sauve momentanément. Goriot, informé, exulte : il voit dans cette liaison naissante l'espoir du bonheur de sa fille et adopte Eugène comme un fils spirituel.
Mademoiselle Michonneau et Poiret sont approchés par un agent de la police, Gondureau, qui les soupçonne d'héberger le célèbre bagnard évadé Jacques Collin, dit Trompe-la-Mort, dissimulé sous le nom de Vautrin. Contre une prime, Michonneau accepte de verser une drogue dans le vin de Vautrin pour vérifier, par une marque sur son épaule, son identité de forçat. Pendant ce temps, l'affaire Taillefer suit son cours : le complice de Vautrin provoque et tue en duel le frère de Victorine, qui devient soudain la riche héritière annoncée. Rastignac, qui a passé la soirée précédente chez Madame de Beauséant et commencé à s'attacher sincèrement à Delphine, apprend la nouvelle avec effroi, comprenant qu'il est complice malgré lui.
Le lendemain matin, à la pension, Vautrin s'effondre après avoir bu son café drogué. Michonneau tape sur son épaule et découvre la marque révélatrice. La police entre, Vautrin, revenu à lui, se redresse dans une scène d'orgueil magnifique : il assume son identité, toise les pensionnaires, jette un regard entendu à Rastignac. Il quitte la pension en homme qui domine encore ceux qui le livrent. Michonneau et Poiret, dénoncés par les autres pensionnaires révoltés par leur trahison, sont chassés de la maison Vauquer.
Le père Goriot, qui a vendu ses dernières rentes viagères, offre à Rastignac et à Delphine un petit appartement rue d'Artois où les amants pourront se retrouver. Il compte y avoir sa propre chambre pour être près de sa fille. Ce jour de bonheur est brisé par l'arrivée d'Anastasie, en larmes, qui avoue à son père avoir donné les diamants de famille à son amant, Maxime de Trailles, criblé de dettes. Goriot vend ses derniers couverts d'argent pour la sauver. Peu après, Delphine arrive à son tour, elle aussi ruinée par les spéculations de son mari qui a immobilisé sa dot dans des affaires douteuses. Les deux sœurs se disputent devant leur père, qui, déchiré, est frappé d'un malaise. Il ne se relèvera pas.
Ramené à la pension, Goriot sombre dans une agonie longue et lucide. Bianchon et Rastignac le soignent avec dévouement, l'un par vocation médicale, l'autre par affection filiale. Le vieillard réclame ses filles dans un délire pathétique où alternent la tendresse aveugle et la révolte : il comprend enfin, par éclairs, qu'elles l'ont dépouillé, mais leur pardonne aussitôt. Anastasie et Delphine, retenues l'une par une scène terrible avec son mari, l'autre par le bal de la vicomtesse de Beauséant, ne viennent pas. Madame de Beauséant, quant à elle, quitte Paris ce même soir, vaincue par son rival, dans un dernier bal où toute la haute société est venue jouir de sa chute ; Rastignac y assiste, entre deux visites au chevet du mourant.
Goriot meurt sans avoir revu ses filles. Rastignac et Bianchon, à court d'argent, organisent seuls les funérailles misérables ; ils doivent emprunter pour payer le corbillard. Aucune des deux filles ne se présente : seuls deux carrosses vides, aux armes des Restaud et des Nucingen, suivent le convoi par convenance. Au cimetière du Père-Lachaise, Rastignac verse la dernière larme de sa jeunesse. Puis, au crépuscule, il contemple Paris étendu à ses pieds, entre la colonne de la place Vendôme et le dôme des Invalides, dans les quartiers où il veut désormais pénétrer. Il prononce alors la phrase célèbre : À nous deux maintenant !
, défi lancé à la capitale. Pour premier acte de sa guerre, il se rend dîner chez Madame de Nucingen.