Fahrenheit 451 erzählt die Geschichte von Guy Montag und seiner Verwandlung von einem Bücher verbrennenden Feuerwehrmann zu einem Bücher lesenden Rebellen. Montag lebt in einer repressiven Gesellschaft, die versucht, alle Quellen von Komplexität, Widersprüchen und Verwirrung zu eliminieren, um ein unkompliziertes Glück für alle Bürger zu gewährleisten. Wie Montag im Laufe des Romans jedoch feststellen muss, sind seine Mitbürger weniger glücklich als vielmehr geistig hohl. Die Menschen in dieser Welt werden ständig mit Werbung und seichten Unterhaltungsangeboten bombardiert, was ihnen keinen Raum lässt, selbst zu denken oder ihren eigenen emotionalen Zustand zu beurteilen. Das Ergebnis ist eine Gesellschaft, die zunehmend egoistisch, vergnügungssüchtig, unverbunden und leer wird.
Montag wird sich der Probleme seiner Gesellschaft schon bald nach seiner ersten Begegnung mit der freigeistigen Clarisse McClellan bewusst. Zunächst verwirrt ihn die junge Frau. Trotz ihres rätselhaften, unorthodoxen Verhaltens bleibt Montag fasziniert, und nachdem sich ihre Wege getrennt haben, fixiert er sich auf Clarissas letzte Frage: „Sind Sie glücklich?“ In diesem Moment weiß er nicht, was er darauf antworten soll, aber die Frage trifft den Kern der Sache. Als er zu Hause ankommt, ist seine erste Reaktion die Verleugnung: „Natürlich bin ich glücklich. Was denkt sie denn? Bin ich es nicht?“ Doch dann dämmert ihm eine Erkenntnis: „Er war nicht glücklich … Er trug sein Glück wie eine Maske, und das Mädchen war mit der Maske über den Rasen weggelaufen, und es gab keine Möglichkeit, an ihre Tür zu klopfen und sie zurückzufordern.“
Der Zeitpunkt dieser Erkenntnis ist im Roman von großer Bedeutung, da sie kurz bevor Montag seine Frau Mildred findet, die nach einer Überdosis Schlaftabletten bewusstlos im Bett liegt. Als die Rettungssanitäter eintreffen, um Mildreds Magen auszupumpen und ihr eine Notfallbluttransfusion zu geben, teilen sie Montag beiläufig mit, dass diese Art von Ereignissen ständig passiert. Mildred scheint von ihrer Nahtoderfahrung unbeeindruckt zu sein, und Montag erkennt, dass seine Frau so leer geworden ist, dass sie im Grunde schläft, selbst wenn sie wach ist.
Zwischen der Erkenntnis seines eigenen Unglücklichseins und der Erkenntnis der Leere seiner Frau wird Montag dumpf bewusst, dass mit dem Status quo etwas nicht stimmt. Der Schock, Zeuge zu sein, wie sich eine rebellische Frau bei lebendigem Leib verbrennt, löst Montags Verwandlung aus. Er wird sich der tief sitzenden Probleme seiner Gesellschaft bewusst, als er Zeuge wird, wie diese Frau lieber stirbt, als sich von der Feuerwehr ihre Bücher wegnehmen zu lassen.
Als Montag während der Episode mit der rebellischen Frau ein Buch stiehlt, gerät er in einen spannungsgeladenen Konflikt mit dem finsteren Captain Beatty und der Gesellschaft im Allgemeinen. Beatty verdächtigt Montag sofort, illegale Bücher zu beherbergen und stattet ihm einen Besuch ab, bei dem er ihm die soziale und technologische Geschichte erklärt, die zum Verbot von Büchern führte. Beatty möchte Montag vom Lesen abhalten, aber seine Rede hat den gegenteiligen Effekt. Nachdem Beatty gegangen ist, beschließt Montag, genau das zu verstehen, dem er sein Leben gewidmet hat: Bücher.
Montags Entscheidung, den Wert von Büchern zu ergründen, führt direkt zum Höhepunkt des Romans. Mildred wehrt sich vehement gegen Montags Leseprojekt, und der Konflikt zwischen den beiden spitzt sich zu, als Montag nach Hause zurückkehrt und Mildred und ihre Freunde im „Wohnzimmer“ beim Fernsehen vorfindet. Montag wird wütend über ihre Oberflächlichkeit und zwingt sie, sich eine Passage aus einem Buch anzuhören. Obwohl er versucht, seine Aktion als Scherz abzutun, verärgert er die Frauen sichtlich, die das Haus verlassen und ihn sofort der Feuerwehr übergeben. Der Höhepunkt des Romans kommt, als Beatty Montag befiehlt, sein eigenes Haus niederzubrennen. Anstatt zu gehorchen, setzt Montag Beatty in Brand und flieht. Montag flieht aus der Stadt und schwimmt einen Fluss hinunter, der ihn aus der Stadt hinaus aufs Land treibt. Dort trifft er auf eine umherziehende Gruppe gleichgesinnter Intellektueller, die ihr Leben der Bewahrung großer Bücher widmen, indem sie sie auswendig lernen. Der Roman endet damit, dass eine Bombe auf die Stadt fällt und sie in Schutt und Asche legt. Die Gruppe der Intellektuellen, angeführt von Montag, macht sich auf den Weg in die zerstörte Stadt, in der Hoffnung, sie wieder aufbauen zu können.
Am Ende des Romans ist Montags Verwandlung abgeschlossen. Obwohl er die Informationen, die er aus den Büchern erhält, noch nicht beherrscht, hat sich sein Denken soweit verändert, dass er seine Gesellschaft ablehnt und die Möglichkeit einer neuen annimmt. Während die vorherige Gesellschaft aufgrund ihrer Verweigerung von Wissen zusammenbrach, wird Wissen als Grundlage für die neue Gesellschaft dienen.