Chatterton commence à l’époque moderne, en suivant un jeune poète anglais dans un magasin d’antiquités où il espère gagner un peu d’argent supplémentaire pour sa famille en difficulté financière. Au lieu de cela, il trouve le portrait d’un homme d’âge moyen qui attire si complètement son attention qu’il oublie l’argent qu’il est venu gagner et fait un échange égal pour le portrait. Charles Wychwood, le poète, devient rapidement obsédé par le portrait lorsqu’il découvre, avec l’aide d’un ami, qu’il ressemble au poète Thomas Chatterton, qui serait mort alors qu’il n’avait que dix-sept ans.
Charles voyage pour rencontrer le propriétaire original du tableau et reçoit un ensemble de documents de l’amant du propriétaire. En triant ces documents, Charles découvre un manuscrit avec les initiales TC signées en bas. Les manuscrits semblent être une sorte de confession, la confession de Chatterton d’avoir simulé sa propre mort et de continuer à écrire sous le couvert de nombreux poètes célèbres de l’époque, dont William Blake. Charles apporte ces documents à un vieil ami de l’université et lui demande de les examiner et de déterminer quand les documents ont été rédigés. Son ami confirme que les documents ont été rédigés au tournant du siècle, soit plus de trente ans après la mort de Chatterton.
L’employeur de Charles, un romancier âgé, prend connaissance de ces documents et se donne pour unique mission d’en prendre possession et d’écrire un livre à leur sujet. C’est la découverte du siècle, croit-elle, celui qui changera à jamais le monde de la littérature et de la poésie. Cette romancière, Harriet Scrope, se rend chez la femme de Charles pour planter les graines de sa tromperie et trouve une femme profondément troublée. Charles a été malade, avoue-t-elle. La femme de Charles, Vivien, a terriblement peur pour sa santé.
Ce n’est pas longtemps après cette conversation entre Harriet Scrope et Vivien que Charles invite ses amis les plus proches à dîner : Harriet, l’expert en manuscrits, Andrew Flint, l’ancien copain de collège de Charles, Phillip, et sa femme Vivien. Le dîner devient une discussion sur la poésie et l’état de la littérature moderne. Avec l’aide de vin et de gin, les discussions s’échauffent jusqu’à ce que Charles se lève soudain de la table en se tenant la tête. Il revient au bout d’un moment pour reprendre la conversation, seulement pour marmonner quelques syllabes et s’effondrer sur le sol. Peu de temps après, Charles meurt d’une tumeur au cerveau.
Tout au long de l’obsession de Charles pour la peinture et le manuscrit, le lecteur est également autorisé à jeter un petit coup d’œil à la création du seul portrait connu de Chatterton, qui est en réalité un portrait de George Meredith, un autre poète, se faisant passer pour Chatterton. Au cours de ces flashbacks, le lecteur regarde l’artiste, Henry Wallis, devenir de plus en plus fasciné par la femme de Meredith, Mary Ellen Meredith. Cette fascination grandit pendant que Wallis travaille sur le portrait, aboutissant à une liaison entre les deux lorsque le portrait est terminé. On raconte plus tard que Meredith était si bouleversé par la trahison de sa femme qu’il a tenté de se suicider à l’intérieur de l’église où Chatterton a grandi et est sauvé par le fantôme de Chatterton.
Tout au long de la fin du roman, la narration visite également le dernier jour de la vie de Chatterton. Chatterton était un jeune homme intelligent, plein de vie et d’enthousiasme pour la profession qu’il avait choisie. Ce n’est qu’une mauvaise décision et une nuit de trop boire qui l’amène à prendre une overdose d’un remède maison qui entraîne sa mort.
Phillip, le meilleur ami de Charles, retourne chez les messieurs qui ont donné des manuscrits à Charles le Chatterton peu de temps après la mort de Charles et s’enquiert de leur véritable origine. Phillip apprend que les manuscrits étaient une blague écrite par l’homme qui a publié la majorité des travaux de Chatterton au cours de sa vie et de nombreuses années après, un M. Joynson. Il s’est apparemment énervé lorsqu’un éditeur de livres rival a publié certaines des lettres de Chatterton qui accusaient Joynson de prendre ses manuscrits puis de l’abandonner. Joynson croyait que si sa blague devenait un jour publique, cela humilierait la réputation de Chatterton et sauverait la sienne. Phillip rend les manuscrits au propriétaire d’origine. La peinture, cependant, est détruite lorsqu’un artiste tente de la restaurer.