Arrowsmith de Sinclair Lewis est l’histoire de Martin Arrowsmith, un jeune garçon du Midwest qui rêve de devenir chercheur en médecine. La vie et la carrière de Martin sont mises à l’épreuve par des affronts à son authenticité et à sa vision d’une médecine parfaite. Les tendances isolationnistes de Martin lui permettent peu d’amis et des attachements romantiques très unilatérales. Tout au long de sa carrière, Martin rencontre le succès mais ne peut se permettre de passer de la recherche pure à la médecine commerciale et abandonne finalement son travail, femme et fils au profit de la recherche dans une cabane au Vermont.
Martin Arrowsmith, né et élevé à Elk Mills, Winnemac, découvre très tôt un amour pour la médecine et la recherche tout en passant du temps dans le cabinet du médecin de la ville, Doc Vickerson. Martin fréquente l’université et la faculté de médecine de l’Université de Winnemac, où il rencontre son mentor et son inspiration de longue date, le professeur Max Gottlieb. Pendant ce temps, Martin devient également le prétendant de deux jeunes femmes, Madeline Fox et Leora Tozer. Martin épouse Leora qui n’est pas aussi instruite ou sophistiquée que Madeline mais qui aime Martin inconditionnellement et promet de soutenir les objectifs de vie de Martin.
Martin fait son internat médical dans un hôpital de Zénith où il fait ses premières rencontres avec le côté humain de la médecine. De là, Martin et Leora déménagent à Wheatsylvania, dans le Dakota du Nord, la ville natale de Leora, où Martin établit un petit cabinet médical. Incapable de tolérer la vie d’une petite ville, le couple déménage alors à Nautilus, Iowa, où Martin prend un poste de directeur adjoint de la santé pour la ville. Martin est testé par son patron, le Dr Almus Pickerbaugh, qui est plus un aboyeur de carnaval qu’un médecin.
Finalement, Martin saute sur l’occasion d’accepter un poste à la prestigieuse clinique Rouncefield de Chicago et lui et Leora font un autre pas. L’un des collègues de Martin, Angus Duer, est chirurgien à la clinique et essaie d’acclimater Martin au style de vie d’un médecin évoluant vers le haut, mais le cœur de Martin repose toujours sur la recherche, pas sur le gain financier qui motive ses collègues à la clinique. Martin contacte le Dr Gottlieb qui offre à Martin un poste de chercheur au réputé McGurk Institute et Martin et Leora déménagent à New York.
Le travail de Martin produit une énorme percée dans l’isolement d’un bactériophage qui tuera la peste et la pneumonie. Martin, avec Leora et un nouveau collègue, Gustaf Sondelius, se rendent sur l’île de Saint-Hubert dans les Caraïbes pour tester le nouveau phage de Martin. Pendant son séjour sur l’île, Leora meurt de la peste et Martin rencontre un riche veuf, Joyce Lanyon, qu’il épouse après son retour à New York. Martin et Joyce ont un fils qu’ils nomment John et Martin poursuit ses recherches scientifiques à New York bien qu’il passe du temps avec Terry Wickett, un ancien collègue du McGurk Institute, qui a installé un laboratoire dans les bois du Vermont.
Martin ne peut pas s’adapter au mode de vie riche de Joyce et aux exigences de son temps, alors Martin quitte Joyce et John pour déménager au Vermont où il fera ses recherches convoitées sans les pressions de toute autre source extérieure.