Neuromancien raconte l’histoire d’une équipe d’experts criminels effectuant une mission de subterfuge informatique sur fond de haute technologie et de criminalité violente. Une grande partie du roman se déroule dans le cyberespace, une réalité créée par ordinateur.
Les premières parties du roman traitent de l’assemblage de l’équipe, Armitage en tant que chef, Molly en tant que muscle engagé, Case en tant qu’expert en informatique et cyberespace et Peter Riviera pour effectuer les manipulations humaines qui nécessitent de la subtilité plutôt que de l’intimidation. Armitage est un ancien soldat militaire, tandis que les autres membres de l’équipe sont imprégnés de consommation de drogue et d’histoires de comportement criminel violent. Molly et Riviera sont toutes deux des individus hautement modifiés, portant de nombreux implants artificiels et modifications corporelles.
Un premier travail plus petit effectué par Molly et Case permet à l’équipe d’acquérir la construction ROM – la personnalité et l’intelligence enregistrées – de McCoy Pauley, un opérateur du cyberespace noté et décédé. Cela permet également à Molly et Case de perfectionner leurs compétences et de s’habituer à travailler ensemble.
La dernière moitié du roman se déroule sur une station spatiale en orbite connue sous le nom de Freeside, qui abrite la famille Tessier-Ashpool, immensément riche, puissante et particulière. Tessier-Ashpool possède deux intelligences artificielles, des programmes de cyberespace autonomes et puissants. Les deux intelligences artificielles sont réunies en un seul point, un terminal informatique restreint qui ressemble à une tête ornée de bijoux, pour éviter qu’elles ne deviennent trop puissantes.
L’équipe découvre finalement qu’ils ont été embauchés par Wintermute, l’une des intelligences artificielles de Tessier-Ashpool, et que l’achèvement de leur mission permettra à Wintermute de fusionner avec Neuromancer, la deuxième intelligence artificielle de Tessier-Ashpool.
Pour accomplir la mission, Riviera convainc un membre de la famille Tessier-Ashpool de laisser Molly entrer dans leur maison hautement sécurisée pour accéder au terminal informatique restreint et entrer un mot de passe. Le mot de passe permet à Case, avec l’aide de la construction ROM et d’un virus informatique de niveau militaire, de pénétrer dans la glace – un ensemble de programmes de sauvegarde défensifs – qui maintient la séparation entre Wintermute et Neuromancer.
Au cours de la mission, Armitage souffre d’une dépression nerveuse complète et est tué par Wintermute, et Riviera tente, sans succès, de doubler Molly. Cette tentative se termine par la mort de Riviera. La mission est encore compliquée par l’ingérence des agents chargés de l’application des lois du Turing Registry, une agence internationale obscure mais légitime chargée d’empêcher les intelligences artificielles de devenir trop puissantes. D’autres rebondissements viennent de divers horizons, y compris les anciens associés et amis de Case et les tentatives de Neuromancer pour empêcher la réussite de la mission.
Après avoir surmonté plusieurs difficultés imprévues, Case et Molly terminent avec succès la mission, permettant à Wintermute de fusionner avec Neuromancer. L’intelligence artificielle nouvellement fusionnée semble être bien plus que la somme de ses parties, bien que la nature exacte de l’être ne soit pas explorée. Case et Molly retournent sur Terre, partagent une brève relation, puis se séparent pour continuer leur vie.