Clay Jannon est un diplômé universitaire récemment au chômage. Il prend un emploi de nuit dans une mystérieuse librairie appelée Mr. Penumbra’s 24-Hour Bookstore. Il doit enregistrer les allées et venues de tous les clients et a reçu pour instruction de ne regarder dans aucun des livres. À la demande de son ami Mat, Clay regarde dans les livres et apprend qu’ils sont écrits dans une sorte de code. Il développe un modèle 3D de la librairie, qui contient l’inventaire. Il rencontre Kat, une nouvelle venue chez Google, et ils se lient sur le modèle et commencent à sortir ensemble.
Clay résout par inadvertance ce qui est connu au puzzle du fondateur – le premier obstacle qu’un novice si la communauté de la colonne vertébrale ininterrompue doit surmonter. Penumbra, le propriétaire excentrique de la librairie, est étonnamment heureux que Clay ait regardé dans les livres et résolu le puzzle du fondateur si rapidement. Lorsque Penumbra apprend que Clay a résolu le puzzle à l’aide d’un ordinateur, il se précipite pour rencontrer Corvina, la première lectrice de la communauté, et plaide pour l’utilisation d’ordinateurs pour décoder le mystère du codex vitae Manutius, que la communauté tente de résoudre depuis 500 ans. Corvina refuse, affirmant avec insistance que l’utilisation de la technologie moderne annulera le résultat de la résolution du décodage du livre car on pense qu’il est la clé pour atteindre l’immortalité.
Pas facilement dissuadés, Penumbra, Clay, Kat et le meilleur ami de Clay, Neel, se lancent pour résoudre l’énigme. Kat demande l’aide de Google et Clay se faufile dans la salle de lecture, une bibliothèque souterraine secrète où est conservé le codex vitae de Manutius. Il scanne les pages du Manutius et scanne également le codex vitae de Penumbra. Il est presque découvert, mais sauvé de la découverte par Edgar Deckle. Avec les scans des pages entrés dans l’ordinateur, Kat commence le Grand Décodage. À sa grande humiliation, le décodage échoue et sa relation avec Clay s’estompe.
Pénombre, également humiliée, a disparu. Clay essaie de le retrouver en vain. Quand il tend enfin la main à Deckle, Deckle explique que même s’il sait où se trouve Penumbra, il ne le dira pas à Clay tant que Clay ne sera pas en mesure de localiser les poinçons originaux de Gerritszoon qui ont été volés et ont disparu des années plus tôt. Avec l’aide d’Oliver, l’autre commis de la librairie, et de l’amie d’Oliver, Tabitha, Clay est en mesure d’obtenir une piste sur l’endroit où les coups de poing ont pu se retrouver. Il se rend seul au Nevada pour récupérer les poinçons dans une installation de stockage hors site dans le désert. Alors qu’il retourne à San Francisco, il remarque quelque chose dans la version audio de son livre préféré : The Dragon-Song Chronicles. Il apprend que Moffat, l’auteur, était membre de la communauté et a publié son codex vitae en tant que troisième volume des Chroniques. Clay découvre un indice pour l’amener à trouver comment déchiffrer le code. Clay décode le Manutius codex vitae et le présente à ses amis et à la communauté.
Penumbra sort caché. Clay révèle que le codex vitae n’a pas la clé de l’immortalité, mais révèle plutôt que l’amitié est le cadeau le plus vrai. Corvina est démis de ses fonctions de premier lecteur et Deckle prend sa place. Clay et Kat ravivent leur relation et Clay et Penumbra se lancent dans une nouvelle entreprise commerciale.