Prélude à la Fondation raconte l’histoire du mathématicien Hari Seldon, fuyant autour de la planète fermée Trantor, échappant à l’empereur qui veut contrôler sa psychohistoire, et comprenant que son invention peut en effet avoir une application pratique pour prédire le sort de l’humanité.
Prélude à la Fondation se déroule en 12 020 GE (ère galactique), pendant le règne difficile de l’empereur Cléon Ier. L’Empire galactique est en déclin depuis des années lorsque le mathématicien Hari Seldon arrive d’Hélicon pour lire un article théorique sur la « psychohistoire » avant le Décennal. Convention mathématique sur Trantor, la capitale galactique. L’Empereur veut qu’il en fasse un outil pratique pour consolider son règne et il entame un « vol » qui l’emmène dans quatre secteurs distincts de cette « ruche humaine » planétaire, dirigé par le journaliste Chetter Hummin, qui prévient que le chef de cabinet de Cléon, Eto Demerzel, est un dangereux intrigant. Demerzel emmène Seldon à l’Université de Streeling et lui présente une jeune historienne, Dora Venabili, qu’il convainc d’accompagner Seldon et de le protéger. Seldon est frustré par ses progrès dans l’apprentissage de l’histoire et fait une excursion à « Upperside », où il évite de peu un « jet-down » rôdant et meurt de froid.
Hummin les déplace vers le secteur Mycogen, une société gravement incarnée et misogyne dirigée par le haut aîné autoritaire, Sunmaster Fourteen. Venabili trouve douteux les projets de Seldon pour accéder aux légendes locales, et il doit traiter Raindrop Forty-Three brutalement pour la faire parler. Lors d’une visite d’une microferme, Raindrop Forty-Three révèle que les Mycogéniens croient en l’histoire, pas en la religion, et l’enregistre dans un livre qu’elle lui prête. La lecture de ce tome ennuyeux présente Seldon aux robots et l’amène à risquer d’envahir le « Sacratorium », le lieu le plus sacré et le plus dangereux du secteur. Attrapés dans « Aerie » par Sunmaster, ils semblent voués à la mort jusqu’à ce que Hummin apparaisse et obtienne leur libération.
Hummin les relocalise dans le secteur Dahl, une communauté ouvrière. Ils se heurtent à leurs propriétaires, les bigots Tisalvers, mais apprennent l’existence d’un devin qui vit dans le dangereux bidonville de Billibotton. Mère Rittah révèle les noms des deux robots légendaires de la préhistoire de l’humanité. Venabili se révèle un habile combattant au couteau et devient une légende locale, les défendant. Davan, un militant social qui tente d’unir les gens contre l’empereur, les rappelle à Billibotton, et Seldon estime qu’il peut aider le mouvement le plus en se concentrant sur la psychohistoire, qui commence à paraître pratique. Maîtresse Tisalver les livre aux forces de sécurité. Ils résistent à leur arrestation et s’enfuient dans les égouts, menés par Raych, douze ans, leur guide à Billibotton.
Hummin ne se présente pas, mais le Sgt. Emmer Thalus les transporte au secteur Wye, où le maire Rashelle les accueille opulentement. Elle a la prétention de renverser l’empereur et de séparer Trantor du reste de la galaxie défaillante et veut que la psychohistoire valide le coup d’État. Seldon refuse, comme il avait refusé l’Empereur plus tôt. Demerzel réagit par un coup éclair qui rétablit le père de Rashelle sur le trône. Rashelle échoue dans sa tentative de tuer Seldon plutôt que de le remettre à Demerzel, qui, selon elle, est « l’ami » de Sheldon, Hummin. Cette double personnalité convainc Seldon que ses errances et ses mésaventures l’ont aidé à clarifier sa théorie de la psychohistoire. Après que Seldon explique l’évolution de sa théorie limitée, qu’il doit grâce à Rashelle, il devine que Hummin/Demerzel est le robot légendaire qu’il recherchait. Enfin, R. Daneel Olivaw avoue agir sous les deux personnages et explique comment depuis des millénaires il a veillé sur l’humanité, obéissant non seulement aux trois lois de la robotique, mais aussi à une « loi zéroeth » plus exigeante. Il considère la psychohistoire comme un moyen de rendre cette protection plus sûre. À vrai dire, Olivaw promet d’organiser tout ce dont Seldon a besoin pour poursuivre ses recherches et garantit sa sécurité grâce au personnage de Demerzel. Ils ne se reverront que rarement à l’avenir. Les sentiments de Seldon pour Venabili ont atteint le point où il ignore le fait qu’elle est un robot, et elle abandonne ses objections selon lesquelles elle ne lui convient pas.