Натаниэль обращается в письме к другу Лотару, брату своей невесты, и рассказывает о своём детском страхе перед Песочным человеком, который приходит за непослушными детьми. В детстве по вечерам Натаниэль и его сёстры собирались в гостиной, слушая рассказы отца, а мать, предупреждая о приближении Песочника, уводила детей спать. Натаниэль был уверен, что именно этот страшный персонаж приходит к отцу, несмотря на отрицания матери. Няня поведала мальчику легенду о том, что Песочный человек забирает у детей глаза и кормит ими своих совиных детей, обитающих в гнезде на Луне, после чего Натаниэля стали мучить ночные кошмары. Однажды он решил увидеть Песочника и спрятался в отцовской комнате, где обнаружил, что им является адвокат Коппелиус — неприятный человек, которого семья боялась и не любила, в то время как отец относился к нему с уважением.

Натаниэль остолбенел от страха, когда Коппелиус и отец открыли дверцы шкафа, за которыми находился альков с жаровней, и начали что-то ковать. Адвокат потребовал глаза, и юноша в ужасе вывалился из укрытия. Коппелиус схватил мальчика, намереваясь использовать его глаза в опытах, но отец умолял пощадить сына. Тогда адвокат стал изучать устройство рук и ног Натаниэля, после чего тот потерял сознание и долго болел. Коппелиус исчез из города, но через год снова появился в доме Натаниэля и возобновил алхимические опыты. В результате взрыва погиб отец, адвоката искала полиция, и он вновь скрылся.

Будучи студентом, Натаниэль вновь встретил Песочника, который явился к нему под видом торговца барометрами, пьемонтского механика Джузеппе Копполы, очень похожего на Коппелиуса. Юноша решил встретиться с ним и отомстить за смерть отца. Клара, случайно прочитав письмо, адресованное Лотару, пытается убедить жениха, что его страхи — лишь фантазии. В ответном письме Натаниэль насмехается над её здравым смыслом и просит друга не давать ей читать письма. Он уверен, что Джузеппе Коппола — не Коппелиус, чему его убедил профессор физики Спаланцани, знавший Копполу много лет и утверждавший, что тот коренной пьемонтец. Натаниэль также упоминает загадочную дочь профессора Олимпию, которую тот скрывает от посторонних.

Эти письма попадают в руки рассказчика, который на их основе описывает дальнейшие события. После смерти отца мать Натаниэля принимает к себе осиротевших Лотара и Клару, которые становятся близкими друзьями и возлюбленными Натаниэля. После обручения он уезжает учиться в другой город, откуда и пишет письма. Позже Натаниэль прерывает учёбу и приезжает к Кларе, где она замечает его мрачное и задумчивое состояние, наполненное мистическими предчувствиями. Натаниэль начинает писать странные стихи, вызывающие раздражение у Клары, которую он считает холодной и неспособной понять его творческую натуру.

Однажды он пишет особенно зловещее стихотворение, которое пугает Клару, и она просит его сжечь. Обиженный юноша доводит невесту до слёз, после чего Лотар вызывает его на дуэль. Клара узнаёт об этом и спешит на место поединка, где происходит примирение. Возвратившись к учёбе, Натаниэль с удивлением обнаруживает, что его квартира сгорела, но друзья спасают вещи и находят для него жильё напротив дома профессора Спаланцани, откуда видна комната Олимпии — неподвижной девушки, которая часами сидит, гладя перед собой. Вечером к Натаниэлю снова приходит Коппола и продаёт ему подзорную трубу с превосходными линзами. Через неё юноша внимательно рассматривает Олимпию и поражается её совершенству. Он проводит дни, наблюдая за ней, пока профессор не приказывает занавесить её комнату.

На большом балу Спаланцани Натаниэль знакомится с Олимпией и без памяти влюбляется в неё, забывая о Кларе. Он не замечает, что девушка почти не разговаривает, её руки холодны, а движения механичны, и что она вызывает отторжение у других студентов. Друг Натаниэля, Зигмунд, пытается его предостеречь, но тот не слушает. После бала профессор разрешает Натаниэлю навещать Олимпию. По пути к ней юноша слышит шум в кабинете Спаланцани и обнаруживает ссору профессора с Коппелиусом, которые борются из-за неподвижной женской фигуры — лишённой глаз Олимпии. Выясняется, что девушка — автомат, созданный профессором и адвокатом, и что Коппелиус похитил у неё глаза, которые, по словам Спаланцани, были взяты у Натаниэля. После этого юноша сходит с ума и оказывается в психиатрической лечебнице.

Вследствие скандала Спаланцани уходит из университета. Натаниэль выздоравливает и возвращается к Кларе. Семья получает наследство, и влюблённые решают пожениться. Во время прогулки по городу Натаниэль и Клара поднимаются на высокую ратушную башню. Клара указывает на что-то внизу, и, взглянув в подзорную трубу Копполы, Натаниэль вновь охвачен безумием. Он пытается сбросить Клару, но она успевает схватиться за перила. Лотар, услышав крики, бросается на помощь и спасает сестру. На площади собирается толпа, и Натаниэль замечает среди неё Коппелиуса, вернувшегося в город. Юноша кричит и прыгает вниз, разбивая голову, после чего адвокат снова исчезает. Клара уезжает в отдалённое место, выходит замуж, рожает двух сыновей и находит семейное счастье, недоступное Натаниэлю с его постоянными душевными терзаниями.