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 l’an 12 020 GE (ère galactique), pendant le règne rocheux 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 de mathématiques sur Trantor, la capitale galactique. L’Empereur veut qu’il en fasse un outil pratique pour étayer son règne, et il entame une « volée », qui le mène dans quatre secteurs distincts de cette « ruche humaine » planétaire, dirigée par un 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 le présente à 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 justesse un « jet-down » rôdant et meurt d’exposition.
Hummin les déplace dans le secteur de Mycogen, une société sévèrement incarnée et misogyne dirigée par le Grand Aîné autoritaire, Sunmaster Fourteen. Venabili trouve douteux les plans 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 religion, et l’enregistre dans un livre qu’elle lui prête. La lecture du tome ennuyeux présente Seldon aux robots et l’amène à risquer d’envahir le « Sacratorium », l’endroit le plus sacré et le plus dangereux du secteur. Pris dans le « Aerie » par Sunmaster, ils semblent condamnés à mort jusqu’à ce que Hummin apparaisse et remporte leur libération.
Hummin les relocalise dans le secteur de Dahl, une communauté ouvrière. Ils se heurtent à leurs propriétaires, les bigots Tisalvers, mais apprennent qu’un devin vit dans le dangereux bidonville de Billibotton. Mère Rittah révèle les noms des deux robots légendaires de la préhistoire de l’humanité. Venabili s’avère un combattant au couteau habile et devient une légende locale, les défendant. Davan, un activiste social essayant d’unir les gens contre l’Empereur, les rappelle à Billibotton, et Seldon pense qu’il peut aider le mouvement le plus en se concentrant sur la psychohistoire, qui commence à sembler pratique. Maîtresse Tisalver les livre aux forces de sécurité. Ils résistent à l’arrestation et s’enfuient dans les égouts, menés par Raych, douze ans, leur guide à Billibotton.
Hummin n’apparaît pas, mais le Sgt. Emmer Thalus les transporte dans le secteur de Wye, où le maire Rachelle les accueille avec opulence. 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 a refusé l’Empereur plus tôt. Demerzel réagit par un coup de foudre qui restaure le père de Rachelle sur le trône. Rachelle échoue dans sa tentative de tuer Seldon plutôt que de le remettre à Demerzel, dont elle révèle qu’il est « l’ami » de Sheldon, Hummin. Cette double personnalité convainc Seldon que ses errances et mésaventures l’ont aidé à clarifier sa théorie de la psychohistoire. Après que Seldon ait expliqué l’évolution de sa théorie limitée, qu’il doit à Rachelle, il devine que Hummin/Demerzel est le robot légendaire qu’il cherchait. Enfin, R. Daneel Olivaw avoue qu’il agit sous les deux personnages et explique comment pendant des millénaires il a veillé sur l’humanité, obéissant non seulement aux trois Lois de la Robotique, mais aussi à une « Loi Zéro » plus exigeante. Il voit la psychohistoire comme un moyen de rendre cette protection plus certaine. La vérité étant dite, Olivaw promet d’organiser tout ce dont Seldon a besoin pour poursuivre ses recherches et garantit sa sécurité à travers le personnage de Demerzel. Ils ne se reverront que rarement à l’avenir. Les sentiments de Seldon pour Venabili ont atteint le point qu’il ignore le fait qu’elle est un robot, et elle abandonne ses objections selon lesquelles elle ne lui convient pas.