Neuromancien raconte l’histoire d’une équipe d’experts criminels accomplissant une mission de subterfuge informatique sur fond de haute technologie et de crimes violents. 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 leader, Molly en tant que muscle engagé, Case en tant qu’expert en informatique et en cyberespace et Peter Riviera pour effectuer les manipulations humaines qui nécessitent de la subtilité plutôt que de l’intimidation. Armitage est un ancien militaire, tandis que les autres membres de l’équipe sont imprégnés de drogue et d’antécédents de comportement criminel violent. Molly et Riviera sont toutes deux des individus hautement modifiés, portant de nombreux implants artificiels et des 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 réputé 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 conscients d’eux-mêmes 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, une des intelligences artificielles de Tessier-Ashpool, et que la réalisation 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 saisir 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 protection défensive – qui maintient la séparation entre Wintermute et Neuromancer.
Au cours de la mission, Armitage souffre d’une dépression mentale complète et est tué par Wintermute, et Riviera tente, en vain, 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 proviennent de divers milieux, notamment des anciens associés et amis de Case et des tentatives du neuromancien d’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, même si la nature exacte de l’être n’est pas explorée. Case et Molly reviennent sur Terre, partagent une brève relation puis se séparent pour continuer leur vie.