Fahrenheit 451 opowiada historię Guy Montag i jego transformacji z palącego książki strażaka do czytającego książki buntownika. Montag żyje w opresyjnym społeczeństwie, które stara się wyeliminować wszelkie źródła złożoności, sprzeczności i zamieszania, aby zapewnić nieskomplikowane szczęście wszystkim swoim obywatelom. Jednak, jak Montag przekonuje się w trakcie powieści, jego współobywatele nie są szczęśliwi, lecz pustoszeją duchowo. Ludzie w tym świecie są nieustannie bombardowani reklamami i płytkimi rozrywkami, co nie pozostawia im miejsca na samodzielne myślenie czy ocenę własnych stanów emocjonalnych. W rezultacie społeczeństwo staje się coraz bardziej egoistyczne, poszukujące przyjemności, oderwane od rzeczywistości i puste.
Montag zaczyna zdawać sobie sprawę z problemów, z jakimi boryka się jego społeczeństwo wkrótce po pierwszym spotkaniu z wolną duchem Clarisse McClellan. Początkowo ta młoda kobieta wprawia go w zakłopotanie. Mimo jej dziwnego, nieortodoksyjnego zachowania, Montag pozostaje zaintrygowany, a po ich rozstaniu skupia się na ostatnim pytaniu Clarisse: „Czy jesteś szczęśliwa?”. W tej chwili nie ma pojęcia, jak odpowiedzieć, ale pytanie trafia w sedno. Po powrocie do domu, jego pierwszą reakcją jest zaprzeczenie: „Oczywiście, że jestem szczęśliwy. Co ona sobie myśli? Nie jestem?”. A jednak uświadamia sobie: „Nie był szczęśliwy… Nosił swoje szczęście jak maskę, a dziewczyna uciekła przez trawnik z maską i nie było sposobu, aby zapukać do jej drzwi i poprosić o jej zwrot.”
Czas tego rozpoznania ma wielkie znaczenie w powieści, ponieważ pojawia się tuż przed Montag odkrywa swoją żonę, Mildred, nieprzytomną w łóżku po przedawkowaniu środków nasennych. Kiedy ratownicy medyczni przyjeżdżają, aby przepompować żołądek Mildred i zrobić jej transfuzję krwi, informują Montaga, że tego typu zdarzenia zdarzają się cały czas. Mildred wydaje się nieporuszona doświadczeniem bliskim śmierci, a Montag zdaje sobie sprawę, że jego żona stała się tak pusta, że w zasadzie śpi nawet wtedy, gdy jest obudzona.
Pomiędzy uznaniem własnego nieszczęścia a uświadomieniem sobie pustki żony, Montag staje się niewyraźnie świadomy, że coś jest nie tak ze status quo. Szok wywołany widokiem buntowniczej kobiety, która spala się żywcem, wywołuje przemianę Montaga. Kiedy Montag kradnie książkę w trakcie epizodu ze zbuntowaną kobietą, wciąga się w pełen napięcia konflikt ze złowrogim kapitanem Beatty’m i z całym społeczeństwem. Beatty natychmiast podejrzewa Montaga o przechowywanie nielegalnych książek i składa mu wizytę, podczas której wyjaśnia społeczną i technologiczną historię, która doprowadziła do zakazu książek. Beatty chce odwieść Montaga od czytania, ale jego przemówienie ma odwrotny skutek. Po wyjściu Beatty’ego Montag postanawia nadać sens temu, czemu poświęcił swoje życie, by je zniszczyć: książkom.
Podjęcie przez Montaga decyzji o poszukiwaniu wartości książek prowadzi bezpośrednio do punktu kulminacyjnego powieści. Mildred zdecydowanie sprzeciwia się projektowi czytania Montaga, a konflikt między nimi dochodzi do głosu, gdy Montag wraca do domu, by znaleźć Mildred i jej przyjaciół oglądających telewizję w „salonie”. Montag wścieka się na ich płytkość i zmusza je do wysłuchania fragmentu książki. Mimo że stara się traktować swoje działania jako żart, wyraźnie zdenerwował kobiety, które wychodzą z domu i natychmiast oddają go w ręce strażaków. Punktem kulminacyjnym powieści jest rozkaz Beatty’ego, by Montag spalił własny dom. Zamiast posłuszeństwa, Montag podpala Beatty’ego i ucieka. Montag ucieka z miasta, płynąc w dół rzeki, która wyprowadza go z miasta i przenosi na wieś. Tam poznaje wędrowną grupę podobnie myślących intelektualistów, którzy poświęcają swoje życie zachowaniu wielkich książek, utrwalając je w pamięci. Powieść kończy się w momencie, gdy na miasto spada bomba, obracając je w gruzy. Zespół intelektualistów, prowadzony przez Montaga, kieruje się w stronę zniszczonego miasta, mając nadzieję na jego odbudowę.
Do końca powieści przemiana Montaga jest kompletna. Choć nie opanował jeszcze informacji, które czerpie z książek, jego myślenie zmienia się na tyle, by mógł odrzucić swoje społeczeństwo i przyjąć możliwość powstania nowego. Podczas gdy poprzednie społeczeństwo upadło z powodu odrzucenia wiedzy, wiedza posłuży za fundament nowego społeczeństwa.