В Петрограде на улице Красных Зорь появляется странное объявление: инженер Мстислав Сергеевич Лось приглашает желающих лететь с ним на Марс 18 августа. Объявление замечает корреспондент американской газеты Скайльс. Он потрясен, желает получить более подробную информацию. К афишной тумбе одновременно со Скайльсом подходит рослый широкоплечий солдат. Он восхищается планами Лося, считает, что стоит полететь вместе с ним. Оба решают навестить инженера.
Лось сконструировал аппарат для межпланетных путешествий, по форме напоминающий яйцо. Аппарат сделан из тугоплавкой стали, внешний чехол укреплен ребрами и легкими фермами. Внутренний чехол сделан из шести слоев резины, войлока и кожи. Внутри стоят кислородные баки, ящики для поглощения углекислоты, полые подушки для инструментов и провизии. Для наблюдения из аппарата торчат «глазки» — короткая металлическая трубка с призматическими стеклами. «Механизм движения помещался в горле, обвитом спиралью. Горло было отлито из металла, твердостью превосходящего астрономическую бронзу... Взрывные камеры питались ультралиддитом — тончайшим порошком, необычайной силы взрывчатым веществом, найденным в лаборатории ...ского завода в Петрограде». По расчетам Лося, путь до Марса займет порядка десяти часов. В «интервью» Скайльсу Лось рассказывает, откуда берутся такие «несерьезные» цифры : «В безвоздушном пространстве, где нет сопротивления, где ничто не мешает полету, ракета будет двигаться со все увеличивающейся скоростью: очевидно, там я могу приблизиться к скорости света, если не помешают магнитные влияния... Я должен буду пролететь в атмосфере Земли и Марса сто тридцать пять километров. С подъемом и спуском это займет полтора часа. Час я кладу на то, чтобы выйти из притяжения Земли. Далее, в безвоздушном пространстве я могу лететь с любой скоростью. Ho есть две опасности: от чрезмерного ускорения могут лопнуть кровеносные сосуды, и второе — если я с огромной скоростью влечу в атмосферу Марса, то удар в воздух будет подобен тому, как будто я вонзился в песок. Мгновенно аппарат и все, что в нем, превратятся в газ... Чтобы не расплавиться, вонзаясь в атмосферу Марса, мне придется сильно затормозить скорость... Я кладу на весь перелет в безвоздушном пространстве шесть — семь часов. Через несколько лет путешествие на Марс будет не более сложно, чем перелет из Москвы в Нью-Йорк». Скайльс предлагает Лосю крупную сумму за отчет о путешествии по возвращении. Лось никак не может найти себе попутчика (никто не верит в правдоподобность его планов и расчетов), и потому очень радуется, когда давешний солдат появляется у него в мастерской и изъявляет желание лететь на Марс. Зовут солдата Алексей Иванович Гусев. Детей у него нет, есть только жена Маша, но семейная жизнь для беспокойного борца за всемирную революцию, каковым считает себя Гусев, слишком пресна. В ночь перед отлетом перед глазами Лося проходит его предшествующая жизнь — любимая жена Катя, которая умерла некоторое время назад, чем сделала жизнь Мстислава Сергеевича пустой и горькой. Гусев же отдает Маше деньги, полученные от Скайльса (аванс за «путевые заметки»), обещает вернуться, но даже не сообщает, куда отправляется.
В день отлета у аппарата собирается толпа. Большинство зрителей не доверяют космическим путешественникам. Гусев просит «уполномочить» его передать марсианам привет от Советской республики.
Аппарат взлетает, ускоряется. Сердца Лося и Гусева бьются все чаще, они теряют сознание. Усилием воли Лось приходит в себя, регулирует приборы, замедляет скорость полета. Путешественники смотрят в иллюминаторы. «Четким очертанием, огромным, косматым клубком Солнце висело в пустой темноте. С боков его, как крылья, были раскинуты две световые туманности... Впереди... серебристый ослепительный диск Марса». Лось включает механизм торможения, аппарат благополучно приземляется. Вокруг растут оранжевые кактусы. Лось и Гусев идут по руслу высохшего канала, замечают, что вокруг — вспаханное поле. В их отсутствие к аппарату подбирается марсианин, передвигающийся с помощью механических крыльев. Марсиане — человекообразные существа, только маленького роста. Земляне, каждый по-своему, пытаются установить с Ним контакт: Лось — дружелюбно и сдержанно, Гусев — импульсивно и эмоционально (кричит и ругается). Марсианин улетает. Земляне самостоятельно исследуют окрестности, набредают на разрушенный город, взорванные кем-то дома. В одном из домов Лось натыкается на золотую маску — изображение улыбающегося человеческого лица с закрытыми глазами и с третьим глазом между бровями. Затем они обнаруживают хранилище странных книг, при «чтении» которых слышат музыку, а также зеркало, напоминающее современный телевизор (при его включении на поверхности появляется изображение марсианского города). На стенах здания попадаются мозаики, изображающие тонущих в море и летящих среди звезд великанов. Лось находит портрет женщины в головном уборе, являющем собой параболу с двумя шариками — рубиновым (Земля) и коричневым (Марс). После заката Лось и Гусев видят в небе яркую красную звезду, похожую на огромный гневный глаз. Это Земля.
Утром следующего дня землян окружают летучие корабли вооруженных марсиан. Их окружают солдаты и принуждают следовать за ними. Лось и Гусев на своем корабле пролетают пустыню с городом, в котором они побывали накануне. Лось знаками спрашивает у марсиан, почему город постигла такая трагическая участь, но не получает ответа. Он интересуется названиями предметов, на ходу изучает марсианский язык. Земляне прилетают в главный город Марса — Coацеру. При въезде в Соацеру стоит гигантская статуя улыбающегося человека с закрытыми глазами, изображение которого люди видели в погибшем городе. Это статуя Магацитла. Марсиане отвозят гостей в дом верховного правителя Марса Тускуба. Их хорошо кормят, вокруг много цветов. Марсианским языком и историей Марса с ними занимается Аэлита, дочь Тускуба. Прислуживает в доме девушка Иха, с которой у Гусева скоро устанавливаются довольно доверительные отношения. Во время обследования дома Гусев обнаруживает зеркало, похожее на телевизор. Иха показывает ему в зеркале город, развлечения и — по ошибке — заседание Высшего совета инженеров, который возглавляет Тускуб. На заседании Тускуб требует «избавиться» от пришельцев. Гусев информирует Лося о «неладном», но тот так увлечен общением с Аэлитой, что не придает словам товарища большого значения.
Аэлита спрашивает Лося, был ли он счастлив на Земле, и что такое — земное счастье. Она рассказывает, что с детства ей снились странные сны — «высокие зеленые горы, светлые, не наши, реки. Облака, облака, огромные, белые, и дожди — по токи воды. И люди-великаны... Мой учитель говорил, что это — ашхе, второе зрение... страшная сила, великая мудрость». Лось говорит, что земное счастье у того, «в ком полнота, согласие и жажда жить для тех, кто дает это согласие, полноту, радость... Такое счастье приходит в любви к женщине».
Аэлита рассказывает людям, что марсиане — потомки земных обитателей Атлантиды. Марс был населен племенами Аолов, оранжевой расой. Среди одного из племен появился пастух, предсказывавший, что на Марс придут Сыны Неба, которые поработят исконных марсиан и принесут на планету зло. Он играл на улле — деревянной дудке со струнами и призывал своих слушателей бояться зла в себе, бояться потерять чистоту. Настает час исполнения его слов. На Марс прибывают атланты, которых здесь называют Магацитлами. Там, на Земле, они владели Городом Ста Золотых Ворот. Магацитлы быстро подчиняют себе невежественное население Марса, но у них нет женщин, чтобы мог продолжиться их род. Они уговаривают аольских старейшин отдать им девушек. Сыны Неба не хотят больше воевать, и они могут дать Марсу знания, которые сделают планету процветающей. Поля дают невиданные урожаи. Возрождаются селения Аолов. Воздвигаются стены Coацеры и гигантские цирки для сбора тающей ледниковой воды с полюсов — ведь питьевой воды на Марсе крайне мало. «Магацитлы употребляли гигантские подъемные машины... силою знания Магацитлы могли передвигать большие камни и вызывали рост растений. Они записали свое знание в книги — цветными пятнами и звездными знаками». Эти книги были прочитаны только спустя тысячи лет, поскольку все же со смертью последнего из пришельцев с Земли знание было утеряно. Атлантида, по словам Аэлиты, погибла не просто в результате землетрясения. Там была создана прекрасная цивилизация мудрых и благородных людей, поклонявшихся Голове Спящего Негра. Атланты предпочитали войне торговлю и расцвет искусства. Они считали, что «в кристалле разум находится в совершенном покое. В межзвездном пространстве разум — в совершенном движении. Человек есть мост между этими двумя составляющими разума». Простые люди не понимали этого учения, и тогда атланты создали культ Солнца, который стал единым для большинства земных народов. Труд был священен. Храмы ломились от зерна, тканей, пряностей. Всем раздавалось по потребности. Нужды не было. За долгий период мира и процветания люди разучились обращаться с оружием. С востока пришло сильное племя Учкуров, оно сжигало города и порабощало население. Атланты «могли только защищать пресытившее их богатство, у кочевников была первобытная жадность... Страна опустошалась. Наступил голод и мор». Наконец, кочевники принимаются за мирный труд, смешиваются с атлантами. Возрождаются города, искусства, науки, ремесла. Знание развивается все быстрее. «Наука Знания разделялась на две части: подготовительную — развитие тела, воли и ума, и основную — познание природы, мира и формул, через которые материя устремленного знания овладевает природой». Наступает золотой век цивилизации, такого расцвета не знала ни одна земная культура. Ho «познавая мир, человек познавал только самого себя», и в этом состояла ошибка атлантов, полагавших, что мир — это только их воображение. В городах Атлантиды стало заметным вырождение и пресыщение. Богатейшие из граждан предлагали уничтожить «дурной сон разума — человечество». Они устраивают грандиозные оргии, праздники и зрелища, во время которых начинается сильное землетрясение. Магацитлы бросаются к своим летательным аппаратам, приводимым в движение гигантской энергией, получаемой при освобождении силы, дремлющей в семенах растений. Город Золотых Ворот скрывается под водой, а атланты высаживаются на Марсе.
Гусев хочет бежать из дома Тускуба в город, поднимать восстание среди простых марсиан. Он видит, что с марсианской цивилизацией происходит то же самое, что с Атлантидой, что в городе идет двойная жизнь, что повсюду стоят «встревоженные кучки шептунов», а на фабриках — гудящие толпы рабочих. Город охвачен тревогой. На заседании Высшего совета против Тускуба выступает инженер Гор. Он разоблачает Тускуба, утверждающего, что в городе бушует анархия, которую необходимо победить — уничтожить город. Ho словам Тускуба, цивилизация Марса гибнет, и эту гибель невозможно предотвратить, а надо лишь «суровыми и мудрыми мерами обставить пышностью и счастьем эти последние дни мира». Гор же объясняет, что в городе действительно зреет недовольство правлением Тускуба, потому тот и предлагает город уничтожить, чтобы сохранить свою власть. Гор предлагает заручиться поддержкой пришельцев с Земли, но Тускуб с помощью гипноза заставляет его замолчать, а землян предлагает тоже уничтожить.
В городе поднимается революция. Аэлита, которой отец поручил отравить Сынов Неба, увозит Лося в безопасное место, а Гусев становится во главе восстания. Аэлита поет Лосю песню уллы. По поверью, она должна после этого стать его женой. Она хочет узнать, что такое любовь.
Лось летит на помощь Гусеву. Марсиане пошли за ним на смерть, взяли арсенал, хорошо вооружились. Гусев проявляет чудеса героизма, обращается к своим последователям с зажигательными речами, взрывает все вокруг себя гранатами. Инженер Гор во всем помогает ему, хотя сам действует весьма нерешительно — слишком силен в нем страх перед Тускубом. Тускуб перехитрил их. Его армия лучше организована, но и ее восставшие теснят. Тускуб с солдатами скрывается в гигантском подземном лабиринте царицы Магр, вскоре принимается взрывать рабочие кварталы города. Гор провожает Лося и Гусева в лабиринт, прикрывает их отступление, сам погибает. Восстание потерпело поражение. Земляне должны вернуться на землю. Под землей они натыкаются на огромное скопление пауков — «они ждут, их час придет, они овладеют жизнью, населят Марс». Из лабиринта Лось и Гусев выбираются около усадьбы Тускуба, где прячутся Аэлита и Иха. Когда Лось с Аэлитой засыпают — они приняли пополам яд, данный Аэлите отцом, чтобы она отравила Лося, — корабль, посланный Тускубом, приземляется у ворот. Аэлиту хватают и увозят. Она успевает шепнуть мужу, что она счастлива, и благодарит его за все. Лось без дыхания. Гусев тащит его по пустыне в сторону их летательного аппарата, вливает Лосю в рот спирт, тот приходит в себя. Аппарат устремляется к Земле.
Дома Лось не сразу вспоминает то, что произошло с ними на Марсе. Встречают их с ликованием. Скайльс щедро оплачивает «путевые заметки», Гусев одевает Машу с иголочки. Лось не может забыть Аэлиту, тоскует по ней. Однажды его приглашают на радиостанцию послушать непонятные сигналы, идущие из глубины космоса. «Словно тихая молния, пронзил его сердце далекий голос, повторявший печально на неземном языке:
— Где ты, где ты, где ты, Сын Неба?
Голос замолк. Лось глядел перед собой побелевшими, расширенными глазами... Голос Аэлиты, любви, вечности, голос тоски летит по всей вселенной, зовя, призывая, клича, — где ты, где ты, любовь...