Corazón de las tinieblas se centra en Marlow, un marinero introspectivo, y su viaje por el río Congo para conocer a Kurtz, que tiene fama de ser un hombre idealista de grandes habilidades.Marlow acepta un trabajo como capitán de barco fluvial con la Compañía, una empresa belga organizada para comerciar en el Congo. En su viaje a África y luego por el Congo, Marlow se encuentra con la ineficacia y la brutalidad generalizadas en las estaciones de la Compañía. Los habitantes nativos de la región han sido obligados a entrar al servicio de la Compañía, y sufren terriblemente el exceso de trabajo y los malos tratos de los agentes de la Compañía. La crueldad y la miseria de la empresa imperial contrastan fuertemente con la impasible y majestuosa selva que rodea los asentamientos del hombre blanco, haciéndolos parecer pequeñas islas en medio de una vasta oscuridad.
Marlow llega a la Estación Central, dirigida por el director general, un personaje malsano y conspirador. Descubre que el barco de vapor se ha hundido y pasa varios meses esperando las piezas para repararlo. Su interés por Kurtz crece durante este periodo. El director y su favorito, el albañil, parecen temer a Kurtz como una amenaza para su posición. Se rumorea que Kurtz está enfermo, lo que hace que los retrasos en la reparación del barco sean aún más costosos. Marlow acaba consiguiendo las piezas que necesita para reparar su barco, y él y el director parten con unos cuantos agentes (a los que Marlow llama peregrinos por su extraña costumbre de llevar largos bastones de madera a donde quiera que vayan) y una tripulación de caníbales en un largo y difícil viaje río arriba. La densa selva y el opresivo silencio ponen a todos a bordo un poco nerviosos, y la visión ocasional de una aldea nativa o el sonido de los tambores hace que los peregrinos se pongan frenéticos.
Marlow y su tripulación se encuentran con una cabaña con leña apilada, junto con una nota que dice que la leña es para ellos pero que deben acercarse con precaución. Poco después de que el barco de vapor haya tomado la leña, se ve rodeado por una densa niebla. Cuando la niebla se despeja, el barco es atacado por una banda invisible de nativos, que disparan flechas desde la seguridad del bosque. El timonel africano muere antes de que Marlow asuste a los nativos con el silbato de vapor del barco. Poco después, Marlow y sus compañeros llegan a la estación interior de Kurtz, esperando encontrarlo muerto, pero un comerciante ruso medio loco, que los recibe al llegar a la orilla, les asegura que todo está bien y les informa de que es él quien ha dejado el bosque. El ruso afirma que Kurtz ha ampliado su mente y no puede someterse a los mismos juicios morales que la gente normal. Al parecer, Kurtz se ha establecido como un dios entre los nativos y ha realizado incursiones brutales en el territorio circundante en busca de marfil. La colección de cabezas cortadas que adornan los postes de la valla alrededor de la estación atestigua sus «métodos». Los peregrinos sacan a Kurtz de la comisaría en una camilla, y un gran grupo de guerreros nativos sale del bosque y los rodea. Kurtz les habla, y los nativos desaparecen en el bosque.
El director lleva a Kurtz, que está bastante enfermo, a bordo del barco. Una hermosa mujer nativa, aparentemente la amante de Kurtz, aparece en la orilla y mira fijamente el barco. El ruso da a entender que está involucrada de alguna manera con Kurtz y que ha causado problemas antes por su influencia sobre él. La rusa revela a Marlow, después de jurar guardar el secreto, que Kurtz había ordenado el ataque al vapor para hacerles creer que estaba muerto con el fin de que pudieran dar marcha atrás y dejarle con sus planes. El ruso se va entonces en canoa, temiendo el disgusto del director. Kurtz desaparece en la noche, y Marlow sale en su busca, encontrándolo arrastrándose a cuatro patas hacia el campamento nativo. Marlow lo detiene y lo convence de que regrese al barco. A la mañana siguiente parten por el río, pero la salud de Kurtz se debilita rápidamente.
Marlow escucha a Kurtz hablar mientras pilota el barco, y Kurtz le confía a Marlow un paquete de documentos personales, incluyendo un elocuente panfleto sobre la civilización de los salvajes que termina con un mensaje garabateado que dice: «¡Exterminad a todos los brutos!». El barco de vapor se avería y tienen que parar para repararlo. Kurtz muere, pronunciando sus últimas palabras: «¡El horror! El horror», en presencia del confundido Marlow. Marlow enferma poco después y sobrevive a duras penas. Finalmente, regresa a Europa y va a ver a la prometida de Kurtz, que aún está de luto, a pesar de que ha pasado más de un año desde la muerte de Kurtz, y lo elogia como un dechado de virtudes y logros. En su lugar, le dice que la última palabra de Kurtz fue su nombre.