D-503, D — мужской «нумер», главный герой-рассказчик, автор записок, составляющих текст романа; позиция героя двойственна: он испытывает духовную эволюцию и в то же время с тревогой регистрирует происходящие изменения как нежелательные (до определенного момента) отступления от «нормы». D — инженер и математик, конструктор и строитель космического корабля «Интеграл», название которого символизирует вершинную цель Единого Государства — «проинтегрировать бесконечное уравнение Вселенной». В начале романа D выступает как безусловный адепт тоталитарной идеологии — «идеальной несвободы». В то же время обращается внимание на его волосатые руки — атавизм, явно противостоящий всеобщей «упорядоченности». Услышав игру I-330 на рояле, D не может смеяться над древней музыкой, как остальные «нумера», и это беспокоит его. Успокаивается он лишь в объятиях О-90. Когда вскоре I назначает ему свидание, D соглашается, хотя героиня его «раздражает, отталкивает, почти пугает». В Древнем Доме герой со страхом чувствует себя «захваченным в дикий вихрь древней жизни». Однако на предложение I пропустить общеобязательную лекцию он отвечает отказом. Наутро в вагоне подземной дороги D встречает одного из Хранителей (т. е. сотрудника тайной полиции), S-4711, которому рассказывает о том, что был с I-330 в Древнем Доме — хотя формального доноса не делает. Вечером, намереваясь все же сделать донос, герой встречает 0-90, проводит время с ней, и положенное для доноса время оказывается упущенным. В разговоре с поэтом R-13 D защищает «знание»; однако собеседник говорит: «Знание ваше это самое — трусость , просто вы хотите стенкой обгородить бесконечное, а за стенку-то и боитесь заглянуть».
»Швоих записках D повествует о принятом ритуале исполнения приговоров над преступниками против Единого Государства: он видит в казнях аналог величественным жертвоприношениям древних времен. D получает письмо от I, которая «записалась на него» (т. е. сделала положенную заявку на сексуальную связь) и приглашает героя к себе. Явившись к ней, D под влиянием «соблазна» впервые отчетливо осознает собственное «раздвоение»: «Мы, на земле, все время ходим над клокочущим, багровым морем огня, скрытого там — в чреве земли. Но никогда не думаем об этом. И вот вдруг бы тонкая скорлупа у нас под ногами стала стеклянной, вдруг бы мы увидели... Я стал стеклянный. Я увидел — в себе, внутри... Было два меня. Один я, прежний, D-503, нумер D-503, а другой... Раньше он только чуть высовывал свои лохматые лапы из скорлупы, а теперь вылезал весь, скорлупа трещала, вот сейчас разлетится в куски и... что тогда?» Однако, поняв, что через пять минут он должен быть дома (появляться на улицах после 22.30 запрещено), герой буквально убегает от I. D проводит бессонную ночь и признается себе: «Я гибну. Я не в состоянии выполнять свои обязанности перед Единым Государством». Герой испытывает кризис веры и впервые видит себя в зеркале отстраненно, как какого-то «его». R-13 рассказывает D замысел своей поэмы о «возвращенном рае», в котором живут ныне люди Единого Государства, не различающие добра и зла, подобно Адаму и Еве. Замысел поэта полон иронии по отношению к тоталитарному обществу, однако D принимает пародийный панегирик за истинный. I звонит герою, назначает ему свидание, ведет его в Медицинское Бюро, где D получает фиктивную справку о болезни; затем они летят в Древний Дом, где происходит их долгожданное сближение. Домой D возвращается один, поскольку I таинственно исчезает. Пришедшая вечером к герою 0-90 говорит ему: «Вы не тот, вы не прежний, вы не мой!» D, который теперь живет не в «разумном», а в «древнем, бредовом» мире, понимает справедливость слов О, но ничего не может объяснить ей.
На своем рабочем месте — на эллинге, где строится «Интеграл», D чувствует, что ему, «преступнику отравленному— здесь не место», поскольку идея Единого Государства (и соответственно корабля) перестала быть для него смыслом жизни. Не видя I в течение нескольких дней, D бродит возле ее дома и пропускает начало общеобязательной лекции. Встретившемуся «хранителю» S герой говорит, что направляется в Медицинское Бюро. S сопровождает его; в Бюро D встречает знакомого доктора, который говорит ему: «Плохо ваше дело! По-видимому, у вас образовалась душа». Более того: по словам врача, человечеству грозит эпидемия этого заболевания. Герой идет к Древнему Дому вдоль Зеленой, или Стеклянной, Стены, отделяющей идеальный мир Единого Государства от «дикого зеленого океана» — царства природной стихии. В Доме D ищет I, но видит из окна S. Пытаясь спрятаться от него, D входит в платяной шкаф, оказывающийся лифтом; опускается в подземный коридор и за одной из дверей встречается со знакомым доктором. Появившаяся I выводит героя на улицу, назначив свидание на послезавтра. D окончательно осознает, что математика не может полностью объяснить мир:
Герой получает письмо от О, которая готова пожертвовать своей любовью ради его благополучия, а также записку от I, которая просит D имитировать любовное свидание с ней (спустить шторы на прозрачных стенах). D присутствует на лекции о «детоводстве», где видит О, но не говорит с ней. Вернувшись домой, он застает О в своей комнате: она готова расстаться с ним, но хочет иметь от него ребенка. D использует «розовый талон» (разрешение на сексуальную связь), присланный ему I вместе с запиской. Через несколько дней герой опять отправляется в Древний Дом; по дороге встречает S, который советует ему быть осторожнее. Во время очередной массовой прогулки некая женщина пытается помешать стражнику избивать государственного преступника. D, которому кажется, что эта женщина — I, бросается ей на помощь; ему удается избежать ареста лишь благодаря вмешательству все того же S, якобы случайно оказавшегося рядом.
Во время долгожданного свидания с I та почему-то задает D вопрос о том, скоро ли будет окончен «Интеграл», а также намекает на что-то, что должно произойти в праздничный День Единогласия. Герой сравнивает этот праздник, который он любит с детства, с Пасхой древних; это день демонстрации единодушия, когда совершаются фиктивные «выборы» главы государства — Благодетеля. Во время выборов I демонстративно голосует «против»; спасая ее, поэт R несет I в объятиях, однако D из чувства ревности пытается помешать ему и сам спасает героиню. Записывая свои впечатления от этого дня, герой разышляет: «Неужели обвалились спасительные вековые стены Единого Государства? Неужели мы опять без крова, в диком состоянии свободы — как наши далекие предки?» По дороге на службу D видит на стенах «листовки» с одним словом «Мефи» (явная ассоциация с Мефистофелем). После работы встречается с I в коридоре под Древним Домом; она ведет D за Зеленую Стену — в царство «стихии» и обросших шерстью лесных людей. I представляет им героя как единомышленника. Выступая перед ними, D, потерявший голову, кричит: «Надо всем сойти с ума, необходимо всем сойти с ума — как можно скорее!» На следующий день, придя к нему, I сообщает, что в городе идет подготовка к неким масштабным медицинским мероприятиям. Глядя на волосатую руку D, героиня предполагает, что в нем, должно быть, «есть несколько капель солнечной, лесной крови». На предложение I захватить «Интеграл» D сперва отвечает отказом, но затем соглашается.
Узнав о предстоящей всем «нумерам» операции по «удалению фантазии», D полагает, что это и есть искомое всеобщее счастье, однако после свидания с I осознает, что «не хочет спасения» без нее. Перед испытательным полетом «Интеграда» D видит на улице первую колонну оперированных — людей, у которых удалена фантазия: «не люди — а какие-то человекообразные тракторы». Во время полета корабля D, поняв, что заговор раскрыт Хранителями, приказывает остановить двигатели, пытаясь устроить катастрофу, однако его помощник успевает подать другую команду, и корабль остается невредим. Едва пришедшего в себя героя вызывает к себе Благодетель — глава Единого Государства; он обвиняет D в том, что он помешал людям реализовать древнюю мечту о рае, но самым страшным из того, что говорит Благодетель, оказывается для D мысль, будто I вовсе не любила его и он интересовал заговорщиков только как строитель «Интеграла». На следующий день в городе начинается восстание: Стена взорвана, и Лес наступает. В суматохе D не может найти I, но она сама приходит к нему. Это их последнее свидание, но вопрос о том, любит его I или нет, остается для героя нерешенным. Не в силах перенести сомнений, D наутро бежит в Бюро Хранителей, где последовательно рассказывает S всю историю отношений с I; впрочем, оказывается, что тот и так все знает. Решив, что S тоже в числе заговорщиков, D убегает и в конце концов оказывается в общественной уборной, причем его сосед занят тем, что математически доказывает «конечность Вселенной», сидя с записной книжкой и логарифмическим циферблатом в руках. Потрясенный «его твердостью в этот апокалипсический час», D просит у соседа бумагу, на которой делает свои последние записи. При этом ему в голову приходит вопрос: «А там, где кончается ваша конечная Вселенная? Что там — дальше?» Однако в этот момент D, как и всех присутствующих, хватают стражники; их подвергают «Великой Операции». Последняя запись сделана уже «новым» героем: от «прежнего» сохранился лишь почерк. «Новый» D-503 абсолютно счастлив. На следующий день после операции он явился к Благодетелю и рассказал обо всем без каких-либо нравственных затруднений. Он спокойно наблюдал пытки, которым подвергли I и других заговорщиков. Герой полагает, что восстание удастся подавить. «Я надеюсь — мы победим. Больше: я уверен — мы победим. Потому что разум должен победить».