Корреспондент американской газеты замечает на одном из проспектов Петербурга странное объявление, написанное обычным чернильным карандашом. В нём инженер Лось приглашал желающих в экспедицию на Марс. Корреспондент записывает адрес инженера, а объявлением заинтересовывается одетый как солдат, человек с крепким затылком, загорелым, беззаботным лицом, шрамом на виске и ленивыми, серо-карими глазами с искоркой.
Корреспондент отыскивает мастерскую Лося в глубине захламлённого двора. Инженер, крепко сложённый, с густыми снежно-белыми волосами и молодым лицом, демонстрирует американцу летательный аппарат в виде огромного стального яйца и заявляет, что достигнет Марса за девять или десять часов. Лететь на Марс корреспондент не собирается, но предлагает Лосю хорошие деньги за путевые заметки. Инженер соглашается.
Лось не хочет лететь один. Больше всего он боится пролететь мимо Марса и умереть от голода в глубинах космоса. Вечером к Лосю приходит солдат Гусев, читавший объявление, и соглашается лететь. Он женат, но бездетен, всю жизнь занимается войной и революцией. Теперь, в мирное время, Гусев не может сидеть на месте и готов отправиться куда угодно. Уже несколько лет крупные радиостанции принимают непонятные сигналы. Лось уверен, что они идут с Марса, и на планете есть разумная жизнь.
В ночь перед полётом Лось не спит, вспоминает умершую жену, которую очень любил. Покинуть Землю инженер хочет из-за тоски по любимой женщине. Он надеется, что на Марсе ему станет легче. Гусев тоже прощается с женой. Женщина очень любит мужа, но, зная его непоседливый характер, понимает, что долго его возле себя не удержит. И теперь ей приходится смириться.
За отлётом следит большая толпа. Покидая земную атмосферу, путешественники теряют сознание и приходят в себя уже в космосе. С риском миновав Луну, они опускаются на Марс и выходят из аппарата. Воздух планеты оказывается тонким и сухим, в тёмно-синем небе стоит «пылающее, косматое солнце». Аппарат лежит «на оранжево-апельсиновой плоской равнине», поросшей высокими кактусами, которые оказываются живыми растениями. Вскоре выясняется, что кактусы растут рядами — это поле.
Поблуждав по кактусовым плантациям, путешественники возвращаются к аппарату, возле которого видят краснолицего марсианина на летающем устройстве. Накричав на путешественников за сломанные кактусы, марсианин бросает им мешок с провизией и улетает.
Перекусив, приятели снова исследуют окрестности и натыкаются на руины домов. Гусев определяет, что строения взорваны — видимо, здесь была война. В одном из богатых брошенных жилищ Лось находит библиотеку поющих книг, а Гусев — экран, показывающий большой город. Разглядеть город как следует не получается из-за короткого замыкания.
Ночь путешественники проводят возле аппарата-яйца. Утром их будит шум винтов — перед ними опускается летающий корабль, похожий на галеру. С корабля в сопровождении вооружённых ружьями воинов спускается голуболицый марсианин в чёрных одеждах. Оставив охрану вокруг «яйца», он отвозит путешественников за горный хребет, в богатую равнину под названием Азора, усеянную огромными водными хранилищами и каналами. В столице Азоры, огромном городе Соацере, путников встречает изумлённая толпа во главе чернобородым, сутулым марсианином.
Путешественников селят в поместье, окружённое рощей с лазоревой листвой. Несмотря на комфорт и изысканную пищу, Гусев недоволен. Ему нужен «документик о присоединении Марса» к Советской Республике. Лось же считает, что с Марса они должны вывезти мудрость этого мира. На следующий после приезда день путешественники знакомятся с хозяйкой поместья Аэлитой, дочерью чернобородого марсианина. Аэлита — нежная девушка с чуть удлинённым бело-голубым лицом и «огромными зрачками пепельных глаз». Она показывает гостям туманный шар, отражающий воспоминания. С помощью этого шара марсианка учит землян своему языку.
За семь дней путешественники в совершенстве овладевают марсианским языком. Аэлита рассказывает Лосю историю Марса. Двадцать тысячелетий назад планету населяла оранжевая раса Аолов. Однажды в одном из племён появился сын пастуха. Он распространял новое учение и рассказывал о пророчестве. Вскоре пророчество сына пастуха сбылось — на Марс прибыли сыновья неба. Это были Атланты. Они поработили часть марсиан, заставили обрабатывать землю, строить хранилища для воды и рыть каналы. Остальные племена восстали против Атлантов, началась война. Марсиане снова вспомнили учение сына пастуха, ушли в горы, построили Священный Порог, под которым похоронили зло и очистились, пройдя через огонь. Атланты подавили сопротивление, но к Священному Порогу приблизиться не посмели. У детей неба не было женщин. Однажды к Порогу пришёл красивый Атлант и попросил отдать дочерей Аолов в жёны сыновьям Земли. От этого союза произошло голубое племя гор, и Марс начал процветать.
Гусев тем временем заводит роман со служанкой Ихой, смешливой, смугло-синеватой, полненькой девушкой. От неё Гусев узнаёт, что чернобородый марсианин Тускуб — глава Марса. Иха включает экран и показывает Гусеву народное гуляние, на котором толпа вдыхает наркотический дым. Переключив экран, Иха случайно показывает Гусеву заседание правительства. Из выступления Тускуба Гусев понимает, что их хотят убить.
Аэлита рассказывает Лосю историю Атлантиды. Эту страну покоряли тысячи племён и растворялись в ней. После каждой войны Атлантида становилась всё более могущественной и богатой. Наконец наступила эпоха мира, Атланты овладели древней магией. Это Знание раскололось на два пути — белый и чёрный, началась война. В это время был найден способ «мгновенно освобождать жизненную силу, дремлющую в семенах растений». Эта сила уничтожила Атлантиду. Спаслась только верхушка чёрного ордена, улетевшая на Марс в яйцеобразных аппаратах.
Научившись управлять экраном, Гусев исследует Соацеру. Опытным взглядом он замечает в столице первые признаки народных волнений — в Соацере назревала борьба между Тускубом и вождём рабочих, инженером Гором. Чтобы прекратить эту борьбу и предотвратить революцию, Тускуб решает разрушить город — гнездо порока, и дать миру «умереть спокойно и торжественно». Гор против, он надеется на помощь землян. Попытавшись задушить Верховного правителя, инженер скрывается. Гусев решает вмешаться в революцию и зовёт Лося с собой, но тот не хочет улетать, он влюблён в Аэлиту. Гусев улетает один.
Тускуб намерен отравить путешественников. Он даёт дочери яд, чтобы та подлила его в пищу сыновей неба. Аэлита, тоже влюблённая в Лося, решает спасти любимого. На воздушной лодке она отвозит его в горы. По дороге Аэлита показывает Лосю каменный флакон с ядовитым зельем, прикрёплённый цепочкой к кольцу, одетому на палец девушки. Аэлита приводит любимого в храм, устроенный вокруг Священного Порога. Там она совершает древний ритуал и становится женой Лося.
В полночь Лось возвращается в поместье Тускуба. Оно полно трупов. Один из умирающих передаёт инженеру записку от Гусева. Он осаждает Дом Совета и посылает за Лосем корабль. Выбежав из поместья, инженер натыкается на людей Тускуба, которые обстреливают его. Солдаты боятся сына неба. Он подчиняет их себе и отправляется на военной лодке к Гусеву.
Тем временем Гусев возглавляет восстание. Рабочие верят, что сын неба спасёт их, и с радостью ему подчиняются. Помощником Гусева становится инженер Гор. Захватив Арсенал и уничтожив эскадрилью военных кораблей, Гусев отправляется арестовывать Тускуба, но тот вместе с верными инженерами и остатками армии успевает бежать через огромный подземный лабиринт, соединяющий почти все города Марса. Раньше залы лабиринта согревались внутренним жаром планеты, и марсиане проводили в нём зимы. Гор считает, что революцию им не выиграть — Тускуб вернётся и уничтожит их.
Ночью армия Тускуба окружает город. Гусев сопротивляется, но Тускуб разрушает Арсенал и уничтожает воздушный флот повстанцев. Несколько кораблей Главы Совета окружают Гусева. Вовремя подоспевший Лось вытаскивает товарища из свалки и уговаривает вернуться на Землю. Гор показывает им вход в лабиринт.
Проблуждав три часа в кромешной тьме и чуть не погибнув в колодце, полном огромных пауков, товарищи выходят на поверхность возле усадьбы Тускуба. Там они встречают слугу Аэлиты, который отвозит их к Священному Порогу. Лось находит любимую и проводит с ней ночь. Он хочет забрать её на Землю, но не успевает — их находит Тускуб с отрядом солдат. Он приказывает схватить Аэлиту, а Лося избить и оставить умирать.
Гусев замечает взлетевший военный корабль, спешит на помощь Лосю и находит его без сознания. Он понимает, что надо бежать, и летит к «яйцу». С трудом отыскав аппарат, Гусев обнаруживает, что марсиане пытаются его разрушить. Разогнав солдат, он запускает двигатель, и аппарат устремляется к Земле.
Гусев не может задать правильный курс, и они долго блуждают в пустоте. Лось приходит в сознание и обнаруживает провалы в памяти. Ему кажется, что Марс и Аэлита — только сон. Вскоре «яйцо» попадает в хвост кометы, которая направляет аппарат к Земле. Аппарат приземляется на берегу озера Мичиган. Для путешественников экспедиция заняла несколько месяцев, а на Земле прошло четыре года.
Лось и Гусев становятся знаменитыми. Инженер продаёт свои заметки американскому корреспонденту, но слава и деньги ему не нужны. Он вспоминает Аэлиту и тоскует по любимой. Проходит полгода. Поездив по миру с рассказами о марсианских приключениях, Гусев возвращается в Россию и основывает «Ограниченное Капиталом Акционерное Общество для Переброски Воинской Части на Планету марс в Целях Спасения Остатков его Трудового Населения». Лось строит на петербургском заводе новый двигатель марсианского типа и живёт в одиночестве. Он вспоминает последние мгновения, проведённые с любимой. Тогда Аэлита успела выпить немного яда, а Лось допил остальное. Теперь ему становится ясно: Аэлита жива.
За Лосем приезжает Гусев. Он сообщает, что уже неделю радиостанции ловят неизвестные сигналы «чрезвычайной силы». Гусев везёт инженера на радиостанцию под Питером, и Лось слышит в слуховом шлеме далёкий голос Аэлиты, повторяющий: «Где ты?».
