Un cantique pour Leibowitz suit un ordre monastique catholique dans son effort du 18ème siècle pour préserver l’héritage de la connaissance humaine alors que l’humanité se détruit à plusieurs reprises dans des flammes nucléaires.
Il y a six siècles, le monde subit un Déluge de Flammes et rejette violemment tout savoir, dans la Simplification. Un ancien scientifique de l’armement veuf, Leibowitz, rassemble des adeptes et établit un ordre monastique dédié à la préservation des vestiges du savoir humain. Leibowitz est martyrisé et au 26ème siècle est à canoniser. Le monde est revenu à une économie de chasseurs-cueilleurs et l’Église catholique lutte contre les barbares et les chamans en maraude. Le jeune Francis Gérard de l’Utah et ses compagnons novices passent le Carême dispersés dans le désert, endurant une retraite vocationnelle stricte avant de professer dans l’Ordre Albertin de Leibowitz (AOL.). Un ancien étranger envahit la paix de François et révèle un abri antiatomique longtemps enterré. Les novices embellissent l’histoire, que le brutal abbé Arkos veut supprimer. Après de nombreux essais, François est profès et fait apprenti copiste. Il passe 15 ans à éclairer le plan Leibowitz qu’il a trouvé dans l’abri, et est invité à la Nouvelle Rome pour la canonisation. Pendant le trek, François perd son illumination prisée aux voleurs mais conserve l’original, qu’il présente au Pape. En route vers la maison, une flèche au front tue François, qui est enterré par l’étranger qu’il a rencontré pour la première fois errant dans le désert profond.
En 3174 après JC, Hannegan II de Texarkana est déterminé à réunir l’Amérique du Nord et les érudits laïcs se débarrassent du monopole de l’Église sur l’apprentissage. Parmi les plus importants se trouve le brillant cousin d’Hannegan, Thon Taddeo Pfardentrott. Troublé par des prémonitions de trouble, Dom Paulo règne sur l’abbaye. Frère Kornhoer réinvente la lumière artificielle et se querelle avec le bibliothécaire à l’ancienne, Ambruster. Paolo rend visite à un vieil ami hermétique, Benjamin, qui se considère comme le dernier vestige d’Israël, assez vieux pour avoir enterré François assassiné. Benjamin attend un Messie mais ne l’attend pas. Rafraîchi, Paolo retourne à l’abbaye pour attendre la visite prolongée de Taddeo, qui jette les bases de décennies de travail pour assembler le puzzle. Taddeo prévoit une crise de sang pour briser les liens de l’inertie culturelle, Paulo craint un autre déluge de flammes et Benjamin conclut tristement que Taddeo n’est pas le Messie. La guerre éclate, Hannegan encourt la colère de la Nouvelle Rome en assassinant son envoyé, et alors que Taddeo se prépare à quitter l’abbaye, Paulo soutient que les scientifiques ont une brève fenêtre pour exercer leur autorité morale sur les dirigeants, mais l’esprit de l’érudit est fermé. Il croit que le monde séculier devrait assumer la mission de l’Ordre. Les buses encerclent à nouveau les champs de bataille, faisant ce que la nature a l’intention de faire.
En 3781 après JC, l’obscurité a cédé la place à la lumière, mais les niveaux de rayonnement augmentent après une récente explosion en Asie. Sous Dom Jethrah Zerchi, l’Ordre a recruté des vétérans de l’espace, dont frère Joshua. Une silhouette ressemblant à Benjamin apparaît dans le réfectoire, proclamant un présage, et une mutante à deux têtes, Mme Grale, gêne les moines. Alors que les pourparlers diplomatiques stagnent et qu’un échange à part entière semble imminent, Zerchi oblige Joshua à décider s’il acceptera l’ordination et conduira 27 moines à la colonie Centauri. Après une agonie dans la roseraie de l’abbaye, Joshua accepte et le groupe part pour la Nouvelle Rome. L’abbé fait face à un dilemme moral lorsque l’organisation Green Star demande de trier les victimes des radiations dans la cour de l’abbaye. Le Dr Cors ne pratique pas l’euthanasie, mais préconise une mort rapide et miséricordieuse pour les personnes en phase terminale. Pour Zerchi, c’est un péché mortel. La bataille se concentre sur une jeune veuve catholique et son bébé pleurant, horriblement brûlé. Zerchi envoie des piqueteurs sur le site d’euthanasie voisin et est tellement indigné que lorsqu’il perd ses deux âmes innocentes, il frappe Cors et n’échappe à la prison qu’en acceptant de mettre fin aux manifestations. Zerchi entend la confession de Mme Grale lorsque l’abbaye de Leibowitz est détruite par une détonation à proximité et, piégé dans les décombres, il apprend à mettre en pratique ce qu’il a stoïquement prêché. Rachel prend le contrôle du corps partagé, refuse le baptême conditionnel et administre une dernière communion au prêtre mourant mais mystifié. Les moines s’échappent alors que la terre est engloutie par les flammes, ne laissant en vie que les requins des grands fonds.