故事始于哈利·波特在德思礼家的第二个暑假。家养小精灵多比突然出现，警告哈利若返回霍格沃茨将有生命危险，并试图通过拦截信件、在德思礼家制造混乱等方式阻止他返校。罗恩·韦斯莱和他的哥哥们驾驶一辆会飞的福特安格利亚车将哈利从禁闭中救出，带到了陋居。 在对角巷购买新学期用品时，哈利一行人遇到了他们的新任黑魔法防御术课教授——浮夸自恋的畅销书作家吉德罗·洛哈特，以及卢修斯·马尔福。开学当天，哈利与罗恩因无法穿过9¾站台的屏障，只能驾驶飞车前往学校，最终撞上了打人柳。 新学期开始后，一系列神秘的袭击事件在城堡内接连发生。看门人费尔奇的猫洛丽丝夫人、学生科林·克里维、贾斯廷·芬列里和格兰芬多的幽灵差点没头的尼克相继被石化。袭击现场的墙上出现了用血写下的警告：“密室被打开了。与继承人为敌者，警惕。”这使得关于斯莱特林的密室和其中恐怖怪物的古老传说再次甚嚣尘上。由于哈利在决斗俱乐部中暴露了自己蛇佬腔的能力——一种与萨拉查·斯莱特林和伏地魔相关的罕见天赋，他成为了全校师生怀疑的对象。 为了查明真相，哈利、罗恩和赫敏·格兰杰决定熬制复方汤剂，伪装成斯莱特林的学生进入其公共休息室套取情报。尽管计划出现波折（赫敏误用了猫毛），哈利和罗恩还是从德拉科·马尔福口中得知他并非继承人。随后，哈利偶然发现了一本五十年前的旧日记，属于一个名叫汤姆·马沃罗·里德尔的学生。通过日记的记忆，哈利目睹了当年密室被打开时，鲁伯·海格因涉嫌放出怪物而被开除的场景。 当赫敏和另一名学生被石化后，哈利和罗恩在她的手中找到了一张关于蛇怪的资料，确认了密室中的怪物就是蛇怪，它通过管道在城堡中移动，而哈利能听到它的声音正是因为他是蛇佬腔。不久，金妮·韦斯莱被抓进了密室，墙上留下了“她的尸骨将永远留在密室里”的血字。在洛哈特教授试图清除他们记忆失败后，哈利与罗恩通过哭泣的桃金娘的盥洗室找到了密室的入口。 在密室深处，哈利见到了生命垂危的金妮和汤姆·里德尔的记忆影像。里德尔揭示自己就是少年时期的伏地魔，这本日记是一个魂器，他通过操控金妮打开了密室并释放了蛇怪。里德尔放出蛇怪攻击哈利，阿不思·邓布利多的凤凰福克斯及时赶到，不仅啄瞎了蛇怪的双眼，还为哈利带来了分院帽，帽中出现了戈德里克·格兰芬多的宝剑。哈利用宝剑杀死了蛇怪，但被蛇怪的毒牙刺伤。福克斯用它的眼泪治愈了哈利的伤口。最后，哈利用蛇怪的毒牙刺穿了汤姆·里德尔的日记，彻底消灭了这个魂器。 事件结束后，哈利通过巧妙的计策，让卢修斯·马尔福无意中将一只袜子递给多比，从而解放了这位长期受虐的家养小精灵。邓布利多向哈利解释，他能使用格兰芬多的宝剑，证明了他是一名真正的格兰芬多，他的选择远比他的出身更重要。
这部小说对整个魔法世界的构建起到了至关重要的作用，引入了多个核心设定：