Книга повествует о людях, оставшихся в живых после ядерной войны. В романе война упоминается лишь вскользь. В результате обмена ядерными ударами все крупные города были стёрты с лица земли. Почти всё действие разворачивается в Московском метрополитене, где на станциях и в переходах живут люди. Благодаря оперативным действиям служб гражданской обороны метрополитен удалось оградить от радиации: почти на всех станциях были закрыты гермозатворы, а в системах вентиляции и водоснабжения активированы противорадиационные фильтры. При этом лишь менее половины станций обитаемы: часть станций заброшена, часть изолирована обрушением тоннелей, часть сгорела. Некоторые станции захвачены существами с поверхности.
Живущие в метро питаются тем, что смогли вырастить в тоннелях. В основном это не требующие света грибы, но на некоторых станциях выращиваются также картофель, помидоры и огурцы. Также на многих станциях разводятся свиньи и другие животные. Ряд станций обеспечивается электричеством от генераторов различного типа, однако в силу их малой мощности на станциях зачастую действует только маломощное аварийное освещение. Большинство предметов быта (исключая изначально находившиеся в метро), а также оружие, медикаменты, топливо и т. п. добывается многочисленными сталкерами, периодически поднимающимися в полуразрушенный город. В подземном мире действует торговля, универсальной валютой являются патроны калибра 5,45×39 мм, изготовленные ещё до Войны.
Вскоре после ядерной войны централизованная система метрополитена распалась. Станции стали существовать по отдельности. Некоторые объединялись вокруг идей, религий, более сильных станций и т. п.
Часть станций независима (к примеру, «Кузнецкий Мост», «Павелецкая»). Часть станций занята организованной преступностью («Китай-город», «Новые Черёмушки», «Профсоюзная») либо существует в условиях анархии. Группировки ведут между собой торговлю, заключают союзы, сражаются. Авторы-продолжатели серии также ввели в повествование другие группировки (см. статью «Вселенная Метро 2033»).
Лежащий на поверхности город практически не был повреждён во время войны, однако под действием времени и агрессивной окружающей среды многие здания обветшали и рассыпались. Растения и животные сильно мутировали.
Главный герой книги, Артём (24-летний[4] молодой человек), живёт на станции «ВДНХ», страдающей от нашествия так называемых «чёрных» (мутантов), идущих со стороны «Ботанического сада». На их станцию приходит загадочный человек — Хантер, который берётся разобраться с этой ситуацией. В личном разговоре Артём рассказывает ему, как лет в 14 он с друзьями открыл гермозатвор, отделяющий станцию «Ботанический сад» от эскалаторов, ведущих на поверхность. Перед походом к станции Хантер берёт с него обещание добраться до Полиса, разыскать там некоего Мельника и передать тому запаянную гильзу с посланием, если сам он не вернётся через двое суток.
Спустя сутки после того, как Хантер должен был вернуться, друг Артёма, Женька, сообщает ему, что он в составе группы собирается на «Рижскую», так как решается вопрос об объединении этой станции с «ВДНХ», а также для прокладки телефонного кабеля до этой станции. Артём присоединяется к нему. На перегоне между «Алексеевской» и «Рижской» с участниками экспедиции начинают происходить странные вещи — некоторые теряют сознание, другие впадают в ступор. При этом, в отличие от остальных, Артём слышит оглушающий шум из труб. Группа с трудом выбирается из опасного участка тоннеля и наконец добирается до «Рижской». Там к нему подходит некто Бурбон — человек, который просит Артёма провести его до «Сухаревской», утверждая, что туннель от «Проспекта Мира» до «Сухаревской» «нехороший» и полагаясь на необычную «устойчивость» Артёма.
Артём доходит до «Проспекта Мира» вместе с Бурбоном.
По пути от Проспекта Мира Бурбон гибнет загадочной смертью. Артёма, который решил тащить тело Бурбона до станции, подбирает некто Хан. С «Сухаревской» Хан с Артёмом вместе с несколькими другими людьми идут в сторону «Китай-города». На «Тургеневской» Хан чувствует, что в туннеле впереди опасность, и советует идти по параллельному тоннелю, но бо́льшая часть отряда, не поверив ему, уходит дальше и погибает. До «Китай-города» доходят, едва успев уйти от движущейся за ними аномалии в тоннеле, лишь Артём, Хан и Туз, член того отряда. На «Китай-городе» Артём теряет из виду своих спутников из-за нападения, в результате которого он вынужден бежать в сторону «Кузнецкого Моста». По пути он знакомится с Михаилом Порфирьевичем и его внуком Ванечкой, страдающим умственной отсталостью. Переночевать на «Кузнецком Мосту» им не удаётся, Михаил Порфирьевич в беседе с Артёмом проговорился, и за ним охотятся красные. Троица бежит в сторону «Тверской», которую захватили фашисты. Артёма и Михаила охрана пропускает, а Ванечку убивает офицер. Артём не может этого стерпеть, нападает на офицера и убивает его.
Артёма хватают и приговаривают к смертной казни через повешение, но в самый последний момент его спасает отряд троцкистов. Они высаживают его на «Павелецкой» и уезжают. Тут Артём понимает, что остался без документов, а из вещей у него только автомат и фонарь. Он знакомится с Марком, который предлагает способ попасть на территорию Ганзы — в переходе начальник «Павелецкой-кольцевой» устраивает крысиные бега. Марк договаривается с ним, что если его крыса выиграет, то они с Артёмом получают визы, в противном случае год чистят туалеты. Их крыса благополучно проигрывает. Обоих хватают и ведут на место работы. На пятый день работы Артём сбегает и попадает на «Серпуховскую», где его подбирает Тимофей, свидетель Иеговы. Он отводит его в «Сторожевую Башню» — поезд в перегоне «Серпуховская» — «Тульская». Затем Артём уходит оттуда и приходит на заброшенную станцию «Полянка», где встречает двоих путников. После разговора Артём преодолевает последний перегон, отделяющий его от Полиса.
В Полисе он спрашивает Мельника, ему отвечают, что Мельник будет завтра утром. Артём, прогулявшись по Полису, знакомится с Данилой — брамином (хранителем). Он ему рассказывает про некую книгу, в которой, по слухам, записано будущее и хранится она в библиотеке им. Ленина. Утром на станцию приходит человек, в котором Артём признает сталкера (он именно так их себе и представлял), человек окликает Артёма и спрашивает: «Ты с „ВДНХ“?», и представляется: «Мельник». Артём отдает ему послание от Хантера. Совет, собранный по заявлению Артёма, выносит вердикт — Полис в беде и не может помочь «ВДНХ». После этого к нему подходит брамин и просит проследовать за ним, на собрание. Брамины предлагают Артёму подняться в библиотеку за книгой. За это они, мол, ему откроют способ решить ситуацию с «ВДНХ». Артём соглашается и узнаёт, что вести группу будет Мельник, а человеком от браминов будет Данила. Поднявшись в библиотеку, отряд сталкивается с библиотекарями — странными существами-мутантами, живущими в библиотеке, и внешне отдалённо напоминающие горилл. Артём с Данилой отделяются от группы и идут в книгохранилище, где Артём безуспешно пытается найти книгу (брамины сказали ему, что книга сама его позовёт).
Отойдя всего на 30 метров, Артём оборачивается и теряет Данилу. Брамин остановился чтобы завязать шнурок. Артём бросается искать Данилу и видит библиотекаря, пронзившего когтями Данилу (позже выяснилось, что Данила не мог обороняться из-за заклинившего затвора автомата). Когда Артём приблизился к монстру и взглянул ему в глаза, он догадался, что библиотекари — мутировавшие люди, тем более что он говорил на человеческом. Умирающий Данила говорит, что у него во внутреннем кармане конверт с наградой Артёму и просит Артёма убить его, дабы прекратить его мучения. Поколебавшись, Артём исполняет последнее желание Данилы и убивает брамина и библиотекаря. Вернувшись к Мельнику и его команде, он узнаёт, что один из отряда тяжело ранен, и они спешно удаляются из библиотеки. Подойдя к метро, Мельник говорит Артёму, что дороги в Полис ему больше нет, так как книгу он не нашёл, и предлагает ему пройти по поверхности до «Смоленской». Артём выдвигается по Новому Арбату, но замечает слежку неких существ. Пройдя немного, существа решаются на атаку, и Артём, спасаясь, забегает в дом. В квартире он находит фотографию, на которой, предположительно, изображены он и его покойная мать. Он забирает её с собой. Выждав немного, он продолжает путь и с большим трудом доходит до «Смоленской». Там его встречает Мельник. Артём передаёт ему конверт от Данилы, в котором находится схема расположения уцелевшей военной базы. На «Смоленской» ночевать опасно, и путники переходят на «Киевскую», где встречают местного жителя Антона, который, как потом выяснится, раньше, ещё «до», был ракетчиком. Там же они встречают ещё одного ракетчика, Третьяка, и Мельник собирается с ним в путь «разведать обстановку» на «Маяковскую» (где, согласно схеме, предположительно имеется выход в Метро-2 (Д-6)). Артём вместе с Антоном идут в дозор, хотя оба туннеля до «Парка Победы» взорваны, но «людям так спокойнее». Артём идёт на ужин к начальнику станции, который признаётся ему, что на станции периодически пропадают дети. На следующее утро Артём узнаёт, что пропал сын Антона, Олег, и отправляется в туннели, где находит люк, ведущий в лаз, располагающийся по верху туннеля и ведущий через завал. Вместе с Антоном они идут на «Парк Победы», но подвергаются нападению местных жителей — дикарей-людоедов. Они исповедуют культ Великого Червя. От гибели героев спасает отряд, возглавляемый Мельником. Тут же находится Олег. Отряд с боем отходит в другую сторону, и тут выясняется, что с «Парка Победы» тоже имеется выход в Д-6 через тоннель Калининско-Солнцевской линии.
Проникнув в Метро-2 и миновав несколько станций, они выходят на станцию, судя по всему, находящуюся под Кремлём. Выясняется, что на станции живёт некое существо, имеющее аморфное тело и умеющее применять психологическую атаку — предположительно, мутировавшее биологическое оружие. В утробе существа погибают Олег и два члена отряда — Делягин и Оганисян. Антон, до этого находившийся в беспамятстве, приходит в себя. С трудом группа заставляет существо отступить и уходит прочь со станции. Добравшись до заваленного выхода из Д-6 к «Маяковской», Мельник говорит, что Артёму с ними идти нельзя (должен же кто-то координировать удар ракет и, к тому же, он единственный знает, как выглядят чёрные) и приставляет к нему Ульмана, бойца из отряда. Оба благополучно выбираются через служебный люк в тоннель Д-6, ведущий к перегону между «Маяковской» и «Тверской», и доходят до «Проспекта Мира», так как у Ульмана там назначена встреча. Группа должна попасть на Останкинскую башню, чтобы оттуда навести ракетный залп РСЗО «Смерч». Артём узнаёт, что выходы с «ВДНХ» скоро будут взорваны, так как сдерживать наступление чёрных больше нет сил. Он отпрашивается у Ульмана сходить на «ВДНХ». Придя туда, он встречает своего отчима, узнаёт, что Женька убит, и получает записку от Хана. Затем Артём опять идёт наверх. Там он замечает огромного летающего монстра, свившего гнездо прямо в вестибюле станции «ВДНХ», и запирается в ларьке, пункте обмена валюты. В ларьке Артём находит труп девушки и читает её последние записи. Ульман с товарищем подъезжают к станции на бывшей пожарной машине и подбирают Артёма. Машина достигает башни, и группа поднимается наверх. Оттуда виден город чёрных, Ульман называет координаты. У Артёма начинаются видения, он узнаёт, что чёрные не собирались враждовать, а пытались наладить контакт с людьми. Обрадованные чёрные выходят наружу, и в этот момент ракеты накрывают город мутантов. Поняв всё, Артём срывает с лица противогаз и уходит в метро.
