Fahrenheit 451 vertelt het verhaal van Guy Montag en zijn transformatie van een boek-verbrandende brandweerman tot een boek-lezende rebel. Montag leeft in een onderdrukkende maatschappij die probeert alle bronnen van complexiteit, tegenstrijdigheid en verwarring te elimineren om ongecompliceerd geluk voor al haar burgers te garanderen. Maar zoals Montag zich in de loop van de roman realiseert, zijn zijn medeburgers niet zozeer gelukkig als wel geestelijk uitgehold. De mensen in deze wereld worden voortdurend gebombardeerd met reclame en oppervlakkig amusement, waardoor ze geen ruimte hebben om zelf na te denken of hun eigen emotionele toestand te beoordelen. Het resultaat is een samenleving die steeds egoïstischer wordt, steeds meer op zoek naar genot, steeds meer afgesloten en leeg.
Montag begint zich bewust te worden van de problemen waar zijn samenleving mee te maken heeft, al snel na zijn eerste ontmoeting met de vrijgevochten Clarisse McClellan. Aanvankelijk brengt de jonge vrouw hem in verwarring. Ondanks haar raadselachtige, onorthodoxe gedrag blijft Montag geïntrigeerd, en nadat ze uit elkaar gaan, fixeert hij zich op Clarisse’s laatste vraag: “Ben je gelukkig?” Op dat moment heeft hij geen idee hoe te antwoorden, maar de vraag raakt een gevoelige snaar. Als hij thuiskomt, is zijn eerste reactie ontkenning: “Natuurlijk ben ik gelukkig. Wat denkt zij wel? Ben ik dat niet?” Toch dringt een besef tot hem door: “Hij was niet gelukkig…Hij droeg zijn geluk als een masker en het meisje was met het masker over het gazon weggelopen en er was geen manier om bij haar aan te kloppen en het terug te vragen.”
De timing van deze herkenning is van grote betekenis in de roman, want het gebeurt vlak voordat Montag zijn vrouw, Mildred, bewusteloos in bed ontdekt na een overdosis slaappillen. Wanneer de hulpverleners arriveren om Mildreds maag leeg te pompen en haar een bloedtransfusie te geven, vertellen ze Montag terloops dat dit soort gebeurtenissen de hele tijd gebeuren. Mildred lijkt niet onder de indruk van haar bijna-doodervaring, en Montag realiseert zich dat zijn vrouw zo leeg is geworden dat ze in wezen slaapt, zelfs als ze wakker is.
Tussen de erkenning van zijn eigen ongelukkigheid en het besef van de leegte van zijn vrouw in, wordt Montag zich er vaag van bewust dat er iets mis is met de status quo. De schok om te zien hoe een rebelse vrouw zichzelf levend verbrandt, zet Montag’s transformatie in gang. Hij wordt zich volledig bewust van de diepgewortelde problemen van zijn samenleving als hij ziet hoe deze vrouw ervoor kiest te sterven in plaats van dat de brandweer haar boeken afpakt.
Als Montag tijdens de episode met de rebelse vrouw een boek steelt, raakt hij verwikkeld in een spannend conflict met de sinistere kapitein Beatty en met de samenleving in het algemeen. Beatty verdenkt Montag er onmiddellijk van illegale boeken in zijn bezit te hebben en brengt hem een bezoek, waarbij hij de sociale en technologische geschiedenis uitlegt die tot het verbod op boeken heeft geleid. Beatty wil Montag ervan weerhouden te lezen, maar zijn toespraak heeft het tegenovergestelde effect. Na Beatty’s vertrek besluit Montag om juist datgene te begrijpen waaraan hij zijn leven heeft gewijd: boeken.
Montag’s besluit om op zoek te gaan naar de waarde van boeken leidt direct tot de climax van de roman. Mildred verzet zich heftig tegen Montag’s leesproject, en het conflict tussen de twee komt tot een hoogtepunt wanneer Montag thuiskomt en Mildred en haar vrienden televisie kijken in de “salon”. Montag wordt woedend over hun oppervlakkigheid en dwingt hen te luisteren naar een passage uit een boek. Hoewel hij zijn acties probeert af te doen als een grap, maakt hij de vrouwen zichtbaar boos, die het huis verlaten en hem onmiddellijk aangeven bij de brandweer. Het hoogtepunt van de roman komt wanneer Beatty Montag opdraagt zijn eigen huis in brand te steken. In plaats van te gehoorzamen, steekt Montag Beatty in brand en vlucht. Montag ontvlucht de stad en drijft een rivier af die hem uit de stad en naar het platteland voert. Daar ontmoet hij een groep gelijkgestemde intellectuelen die hun leven wijden aan het bewaren van grote boeken door ze in het geheugen op te slaan. De roman eindigt met een bom die op de stad valt en haar tot puin reduceert. De groep intellectuelen, geleid door Montag, gaat naar de verwoeste stad, in de hoop die weer op te bouwen.
Aan het eind van de roman is Montag’s transformatie voltooid. Hoewel hij zich de informatie uit de boeken nog niet eigen heeft gemaakt, heeft zijn denken een zodanige verandering ondergaan dat hij zijn samenleving afwijst en de mogelijkheid van een nieuwe samenleving omarmt. Terwijl de vorige samenleving ineenstortte door haar weigering kennis te vergaren, zal kennis als fundament dienen voor de nieuwe samenleving.