En outre Bradbury rejette le titre d'écrivain de science-fiction : « Avant tout, je n'écris pas de science-fiction. J'ai écrit seulement un livre de science-fiction et c'est Fahrenheit 451, fondé sur la réalité. La science-fiction est une description de la réalité. La Fantasy est une description de l'irréel. Donc Les Chroniques martiennes ne sont pas de la science-fiction, c'est de la fantasy¹. »

Un soir sur le chemin de son domicile, Guy Montag, pompier de son état, rencontre une étrange jeune fille : Clarisse McClellan. Elle affiche une attitude des plus excentriques et l'interroge : « Vous arrive-t-il de lire les livres que vous brûlez ? Êtres-vous heureux ? ».
 De retour chez lui, Montag troublé ne cesse de s'interroger. Il retrouve sa femme Mildred inconsciente, assommée par un excès de sédatif.
 Le lendemain, il retrouve Clarisse. Il lui avoue qu'il se sent différent. Montag semble dissimuler un secret.
 Chaque jour leur rencontre est renouvelée, jusqu'au jour où Clarisse ne parait plus.
 Montag contrarié affiche un comportement de plus en plus suspect à la caserne : il songe, il s'interroge sur les sentiments, sur les autodafés, et sur son métier. Soudain, l'alarme retentit. Les pompiers doivent procéder à un nouvel incendie : les livres sont saisis et la propriétaire, refusant de quitter les lieux, est brûlée avec sa bibliothèque. Toutefois un livre est sauvé, emporté secrètement par Montag. De retour chez lui, Montag, bouleversé, réalise qu'il est un étranger pour sa femme et dans cette société où l'individu est nié. Sa femme lui annonce que la famille McClellan a déménagé.
 Le lendemain, Montag, hanté par l'autodafé de la veille, est souffrant. Il tente de partager ses sentiments avec sa femme qui reste insensible à son récit.
 Le Chef de la brigade des pompiers, Beatty, vient s'enquérir de la santé de Montag et accepte de répondre aux interrogations du pompier. Il apprend que la famille de Clarisse, qui faisait l'objet d'une étroite surveillance, a été écrouée.
 Une fois seul avec sa femme, Montag lui révèle son secret : derrière la grille du climatiseur des livres sont cachés. Sa femme, paniquée, devient malgré elle sa complice.

Partie II : Le Tamis et le Sable
 
En dépit des réticences de Mildred, le couple passe sa journée à lire. Au contact des ouvrages, Montag aiguise son esprit critique, sa réflexion sur la société. Des souvenirs surgissent : il y a quelques années de cela, Montag a rencontré un vieillard qui lui a donné un livre de poèmes.
Egaré, le pompier décide de retrouver le vieil homme pour avoir des réponses, pour comprendre et se comprendre. Faber, le vieillard qui a inventé un système auditif de surveillance afin de se mettre à l'abri des pompiers, propose son aide à Montag : Le lendemain avec le soutien de son allié, il ira rendre le livre volé à Beatty avant de s'attirer davantage de problèmes.
Quand il rentre chez lui, Montag trouve sa femme en compagnie de quelques amies et de la « Famille ». Lassé par leur futilité, Montag dans un geste de provocation leur présente un livre. Les femmes écoeurées quittent l'appartement jurant de ne jamais y remettre les pieds.

Le lendemain, à la caserne : Montag rapporte le livre volé au Capitaine Beatty. Ce dernier, par le bais d'une argumentation retors ponctuée de citations littéraires, cherche à lui faire admettre son erreur. Soudain l'alerte retentit. Les pompier se mettent en route pour un nouvel autodafé... quand Montag réalise que la cible des pompiers pyromanes n'est autre que sa propre demeure.

Partie III : L'éclat et la flamme

Hébété, Montag assiste impuissant à sa ruine : Mildred, la délatrice, quitte la maison sans un regard ni un mot ; Beatty lui confie le lance-flamme et lui ordonne d'incendier lui  même sa maison... quand le système auditif de Faber tombe sur le sol. Beatty menace de retrouver son complice. C'est alors que Montag, enragé, immole le Capitaine.
Un avis de recherche est lancé contre le criminel en fuite. Montag se réfugie chez Faber. Le vieil homme lui conseille de fuir vers le fleuve. Là, s'il longe la voie ferrée, il trouvera une communauté d'universitaires exilés.
Après une course effrénée pour échapper aux autorités, Montag rejoint le fleuve. Il marche jusqu'au lendemain. Au milieu de la forêt il rencontre des hommes se réchauffant près d'un feu de bois. On connait son nom.
Pendant ce temps, en ville, la police qui recherche le meurtrier en vain, décide d'organiser une mise en scène afin d'apaiser l'opinion publique : on arrête un inconnu qu'il fut de faire passer pour le coupable.
Au camp, Montag rencontre une bien étrange population. Ici chacun mémorise un livre et en porte le nom. Les hommes sont la mémoire vivante des lettres. Montag choisit de devenir L'Ecclésiastique et l'Apocalypse dont il lui reste quelques souvenirs. La communauté se remet en marche pour un long exode au coeur de la forêt.