Charly a le corps d'un adulte et l'esprit d'un enfant de six ans. Il subit sans se plaindre et toujours avec le sourire les farces, souvent bien douteuses, de ses compagnons de travail dans l'arrière-boutique de la pâtisserie où il est employé. Il suit des cours particuliers avec Alice Kinlan qui lui apprend à lire et à écrire et constate avec une grande émotion les progrès et la bonne volonté de Charly. Un jour, il subit des tests dans une clinique sous la direction d'un psychiatre et d'un chirurgien neurologue ; il y est battu par une petite souris blanche que désormais Charly brûle d'égaler et de dépasser. La souris-cobaye a subi une opération au cerveau qui a décuplé son intelligence et Alice propose à Charly de subir le même traitement. Celui-ci accepte. Après l'opération, le cerveau de Charly devient rapidement égal à celui d'un individu normal et même le dépasse. Charly absorbe en peu de temps une quantité astronomique de connaissances en mathématiques, physique, chimie, etc. Mais il contrôle mieux cette intelligence que ses sentiments qui restent dépourvus d'équilibre et de maturité, et l'image de ceux d'un adolescent. Ainsi, il lui arrivera même un jour de sauter sur Alice comme pour la violer. Plus tard, celle-ci saura lui faire mettre un peu d'ordre dans ses sentiments et même répondra favorablement à l'élan d'amour qu'il éprouve pour elle. Hélas, la vie de Charly n'est pas stabilisée pour autant. Il apprend que les résultats positifs de l'opération ne sont que provisoires. Il sait qu'il ne tardera pas à redevenir comme avant. Lors d'un congrès où il est présenté aux savants du monde entier devant lesquels il doit parler, il fait un discours extrêmement amer et pessimiste, s'en prenant aux soi-disant« bienfaits » de la science et aux pièges du monde moderne. Dans les semaines qui suivent, il essaie d'utiliser son intelligence provisoire pour « programmer » des ordinateurs qui lui apporteront peut-être la réponse à son problème. Mais en vain. Peu à peu, Charly sent affreusement qu'il retourne à l'enfance. Même l'amour d'Alice est impuissant devant ce phénomène irrépressible.