Die Handlung spielt in der Gegenwart der 1970er Jahre. Am „Institut für Kybernetik und Zukunftsforschung (IKZ)“ wurde ein Supercomputer namens Simulacron-1 entwickelt, der imstande ist, eine Kleinstadt zu simulieren. Diese virtuelle Realität läuft rund um die Uhr und wird von „Simulationseinheiten“ bevölkert, die in etwa dasselbe Leben führen wie normal lebende Menschen und ein Bewusstsein besitzen. Außer einer einzigen „Kontaktperson“ weiß keiner der simulierten Menschen, dass ihre Welt eine Simulation bzw. ein Simulakrum ist.

Fred Stiller wird zum neuen Direktor des Instituts befördert, nachdem sein Vorgänger, Professor Henry Vollmer, unter ungeklärten Umständen ums Leben kam. Zuvor hatte dieser gegenüber seinem Mitarbeiter Günther Lause noch angedeutet, eine „ungeheure Entdeckung“ gemacht zu haben. Einige Tage später, auf einer Party von Stillers Vorgesetztem Herbert Siskins, verschwindet Lause wie vom Erdboden verschluckt, unmittelbar, bevor er Stiller über Vollmers Entdeckung in Kenntnis setzen konnte. Stiller macht sich auf die Suche nach Lause, doch niemand außer ihm scheint den einstigen Sicherheitschef des Instituts überhaupt gekannt zu haben. Auch in den Personaldatenbanken des Instituts ist der Name nicht verzeichnet – offiziell hat Lause nie existiert.

Während Stiller weitere Nachforschungen anstellt, ereignen sich innerhalb der Computersimulation seltsame Dinge: Eine der Simulationseinheiten wollte Selbstmord begehen und wurde daraufhin von Stillers Mitarbeiter Walfang aus der Simulation gelöscht, eine andere will das System verlassen und in die wirkliche Welt gelangen. Eines Tages gelingt es einer Simulationseinheit namens Einstein, in den Körper des Mitarbeiters und Freundes von Stiller, Fritz Walfang, zu schlüpfen, als dieser sich mittels einer „Kontaktschaltung“ in die Simulationswelt einklinkt. Doch die falsche Identität wird entdeckt und Einstein wird wieder in seine simulierte Welt zurückgeschickt.

Während es am Institut zu politischen Auseinandersetzungen über die Nutzung der Forschungsergebnisse kommt – Siskins will das System der Industrie zur Verfügung stellen – geht Stiller langsam dem Wahnsinn entgegen. Er spürt, dass auch er, wie sein Vorgänger Lause, ausgeschaltet werden soll. Begleitet von einer zarten Affäre zwischen Stiller und Eva Vollmer, der Tochter des ehemaligen Direktors, entdeckt er, dass auch seine eigene Welt nicht die wirkliche Welt ist, sondern ebenfalls eine weiter fortgeschrittene Simulation, die von einer höheren Ebene aus programmiert wurde. Damit endet der erste Teil.

Aufgrund seines Verhaltens wird Stiller im zweiten Teil von seinen Kollegen für verrückt erklärt und beurlaubt, später werden ihm zwei Morde in die Schuhe geschoben. Er trifft Eva wieder, die ihm verrät, dass sie die Projektion einer Eva aus der realen Welt ist und dass er selbst als Fred Stiller ein Wiedergänger seines Erschaffers ist, der ihn nach seinem Ebenbild ersonnen hat. Stiller wird von der Polizei erschossen; Eva gelingt es jedoch, sein Bewusstsein mit dem des echten Stiller auszutauschen, wodurch er in der realen Welt auftaucht.