Lina Mayfleet et Doon Harrow ont tous deux douze ans. Ils sont membres de la classe la plus élevée de l’école Ember. À l’ouverture du livre, c’est le jour de l’affectation ou le jour où les enfants de douze ans se voient confier leur travail. Les affectations sont arbitraires. Il y a des emplois écrits sur des bouts de papier dans un sac et chaque étudiant dessine un bordereau pour déterminer son travail. Lina est assignée à travailler dans la canalisation et Doon est assigné à être un messager. Doon est certain que la ville est en difficulté et le dit. Il échange des missions avec Lina, espérant qu’il pourra faire quelque chose de bien pour la ville s’il travaille à la Pipeworks. Lina accepte le métier, aimant l’idée d’être une messagère.
Les deux enfants savent que l’électricité de la ville est fournie par un énorme générateur alimenté par la rivière sous la ville. Le générateur a récemment quitté la ville dans le noir à plusieurs reprises et Lina craint que chaque fois soit pour toujours.
Les enfants ont bientôt une série d’indices qui les mènent à une découverte choquante. Lina remet un message au maire Cole d’un commerçant nommé Looper au sujet d’une livraison ce soir-là. Lina trouve un ensemble d' »instructions », bien que sa petite sœur Poppy mâche le papier en laissant des trous dedans. L’amie de Lina, Lizzie, a des boîtes de conserves délicieuses qui n’étaient plus disponibles à Ember depuis des années et Looper a des crayons de couleur. Lina et Doon travaillent sur les instructions que Lina a trouvées et, avec l’aide de leur amie Clary, réalisent que ce sont les instructions pour quitter Ember – un exploit que la plupart des gens croient impossible. Doon et Lina découvrent que le maire a accumulé des fournitures et rapportent l’information à un garde sans savoir que le garde est dans le secret. Lorsque Doon et Lina sont arrêtés pour avoir répandu des « rumeurs vicieuses » sur le maire, ils fuient Ember en suivant les instructions.
C’est seulement lorsqu’ils sont hors de la ville qu’ils reconstituent leur histoire. Plus de deux cents ans plus tôt, la Terre était menacée de destruction. Un groupe de « Builders » a créé le sous-sol d’Ember et l’a peuplé de trois cents habitants, la plupart trop jeunes pour se souvenir d’une vie avant Ember. Les adultes ont promis de ne jamais parler d’une vie en dehors d’Ember. Les constructeurs ont également laissé une boîte à la charge du maire avec des instructions pour la transmettre à chaque nouveau maire. Mais en cours de route, la boîte a été fourrée dans le placard de Lina, c’est ainsi que Lina en est venue à les avoir.
Hors de leur monde souterrain pour la première fois, Lina et Doon sont émerveillés par les animaux, la lune, les étoiles, les fruits et le soleil. Ils se rendent compte qu’ils n’ont rien laissé derrière eux pour dire aux autres comment sortir de la ville et que le générateur va bientôt tomber en panne. Ils ne peuvent pas revenir par où ils sont sortis car le courant de la rivière est trop fort. Ils se promènent et trouvent une crevasse dans le sol. En regardant en bas, ils peuvent voir Ember. Ils écrivent des instructions pour partir sur un morceau de papier et le jettent aux personnes laissées derrière.