故事的开始描写了查理,一个智商仅仅68的成年人在动手术之前的生活。他平时在凯妮恩小姐的成人班里上课。他在一个工厂当清洁工,还曾经被他当作是朋友的同事们取笑,但他自己却不知情。后来,他通过了墨迹测验而得到了施特劳斯博士和尼玛博士的关注,两个人为他进行了手术,就像他们曾经在一只小白鼠阿尔吉侬的身上动过手术一样,并且预料他的智商会升至原来的三倍;两个博士已经发现,阿尔吉侬比一般老鼠聪明得多,肯愿意合作。不过,动手术的前提就是,查理必须经常写报告给两位博士,好让他们知道他的进度。
在接下来的一个多月内,查理的智商果然提高了很多,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。他看上了老师凯妮恩小姐,两人坠入爱河。同时,他得到了他原先以为是朋友的同事的妒嫉和唾弃,被赶出了工厂。有一天,他在一个餐馆中发现一个洗碗碟弱智男孩被大家取笑时,突然发现自己也在这么做,还意识到男孩就像当年弱智的查理· 高登!他为自己的举动感到惊讶和羞耻,决定在这方面好好进行研究。
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,他在著作阿尔吉侬-高登理论时也发现,由于手术的关系,他也即将经历相同的,而且更严重的脑子退化过程,使他极为惊恐,并且拼命努力工作。过不了多久,他绝望了,因为他已经开始变得健忘了,曾经的著作变得怎么也不像是他自己写的。挣扎着不使自己失去记忆的查理很快失去了推理能力,语言水平急速下降,和凯妮恩小姐的关系也开始恶化。当查理回到工厂重新工作时,他得到了同事们的同情,并且恢复了和他们的关系。最后一篇自述却描述了查理健忘地又回到了凯妮恩小姐的成人班里,仅有一点儿过去的记忆的他却突然回想起了动手术的事。为了不让大家都同情他的处境(即曾经是个天才的查理· 高登后来什么都不会了),他决定带上几本书籍离开纽约,希望他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。