Fahrenheit 451 spielt in einem Staat, in dem es als schweres Verbrechen gilt, Bücher zu besitzen oder zu lesen. Die Gesellschaft wird vom politischen System abhängig, anonym und unmündig gehalten. Drogen und Videowände lassen dennoch keine Langeweile aufkommen. Selbstständiges Denken gilt als gefährlich, da es zu anti-sozialem Verhalten führe und so die Gesellschaft destabilisiere. Bücher gelten als Hauptgrund für ein nicht systemkonformes Denken und Handeln.

Die Bücher aufzuspüren und zu vernichten ist Aufgabe der Feuerwehr. Die Bücher werden an Ort und Stelle verbrannt. Mechanische Hunde helfen beim Aufspüren der Bücher. Die Maschinen jagen Buchbesitzer und Staatsfeinde und fangen oder töten sie. Auf den Helmen und Uniformen der Feuerwehr steht die Zahl 451, jene (von Bradbury angenommene) Fahrenheit-Temperatur, bei der Papier Feuer fängt und Bücher sich entzünden. Außerdem tragen die Uniformen einen Salamander auf der rechten Schulter, ein Tier, von dem es in Legenden heißt, es könne im Feuer leben.

Protagonist des Romans ist der 30-jährige Feuerwehrmann Guy Montag, der zunächst scheinbar kritiklos in diesem System funktioniert, heimlich jedoch einige gestohlene Bücher in seinem Haus versteckt. Durch die 16-jährige Clarisse lernt er die Kunst der Worte, den Wert freien Denkens und die Schönheit der Natur kennen. Clarisse stellt ihm die Frage, ob er glücklich sei. Als seine Frau Mildred beinahe an einer angeblich versehentlichen Überdosis Schlaf- und Beruhigungstabletten stirbt, beginnt Montag, intensiver über Clarisses Frage nachzudenken, und gerät in Zweifel. Ihm fällt auch auf, dass in den Medien kaum über den Krieg berichtet wird, in den sein Land gerade verwickelt ist.

Bei einem seiner nächsten Einsätze begeht eine alte Frau Selbstmord, indem sie sich selbst mit ihren Büchern verbrennen lässt. Sie will lieber sterben, als sich dem Druck des Systems zu beugen. Traumatisiert bleibt Montag am Folgetag seiner Arbeit fern. Sein Vorgesetzter, Captain Beatty, sucht ihn auf und belehrt ihn über die Ursprünge der herrschenden Verhältnisse: Die Ablehnung von Literatur, Kultur und selbstständigem Denken wurde nicht von der Regierung aufgezwungen, sondern vollzog sich schrittweise durch gesellschaftliche Veränderungen, die nach einer Nivellierung des allgemeinen Niveaus und staatlicher Zensur strebten, so dass alle Bürger intellektuell gleichgestellt sind und sich keine Minderheit diskriminiert fühlt. Beatty gibt an, selbst Bücher gelesen zu haben, die Lektüre habe ihm aber nichts Nützliches gegeben.

Montag will selbst Erfahrungen mit Büchern machen und überredet seine Frau, mit ihm zusammen zu lesen. Mildred reagiert abweisend, denn sie fühlt sich in ihrer gewohnten Aktivität stundenlangen Fernsehens gestört. In dieser Situation erkennt Montag, dass er Hilfe braucht, und sucht einen Mentor in dem pensionierten Literaturprofessor Faber, der noch miterlebt hat, wie in den Universitäten die kulturwissenschaftlichen Fachbereiche geschlossen wurden. Montag missachtet Fabers Warnung, sich unauffällig zu verhalten, und liest Mildred und ihren Freundinnen das Gedicht Dover Beach von Matthew Arnold vor. Daraufhin wird er von seiner Ehefrau bei Beatty denunziert. Zur Strafe muss Montag mit seinem Flammenwerfer sein eigenes Haus mit den Büchern anzünden. Als Beatty zudem mit der Verhaftung Fabers droht, richtet Montag den Flammenwerfer auf seinen Vorgesetzten und tötet ihn. Mit Fabers Hilfe gelingt Montag die Flucht durch den Fluss in die Wälder außerhalb der Stadt. Dort schließt er sich einer Gruppe von Dissidenten an, die, von den Medien totgeschwiegen, in den Wäldern vor der Stadt leben und einmal gelesene Bücher im Gedächtnis bewahren, um sie vor dem Vergessen zu retten.

Es kommt im Krieg zu einem Fliegerangriff auf Montags Stadt, die dabei fast völlig zerstört wird. Nach der Zerstörung machen sich die Dissidenten auf den Weg zurück in die Stadt, in der Hoffnung auf einen Neubeginn mit den Überlebenden.