科学家家庭出生的女子叶文洁在文革中目睹父亲被批斗致死，自己也被人陷害，对整个人类社会和人性失去了信心。因为其优秀的科学素养，后被调入红岸基地（表面上是国防科研基地，实际上是进行与外星人接触的工程，不断向太空发送表达接触意愿的信号）。

一日，叶文洁收到了来自距离地球四光年的半人马座α回复的警告讯息。该信息出自半人马座α“三体世界”一个太空观测者的善意警告，警告地球不要再对外发送信号，更不要回复该警告讯息，否则会被锁定精确坐标，从而被外星文明摧毁或入侵。叶文洁因为对人类社会的极端失望，决定引入外星文明对地球文明进行清洗，帮助地球进步，故而没有上报组织并私自回复了希望外星文明来地球的信息，地球精确坐标被三体世界掌握。

此时，科学程度远远超过地球的三体世界，他们所在星系有三个恒星，三体人生存的行星围绕三个恒星做无规则运动，导致没有规律性的气候。上一刻还是适合生存的气候（它们称为恒纪元），或许下一刻就会进入不适合其生存的气候（称为乱纪元），恒纪元与乱纪元会持续多久，什么时候出现都没有规律，以致这颗行星上的文明出现又被毁灭达二百多轮次。三体人虽然能够通过主动脱水让自己干纤维化以度过乱纪元，到恒纪元时再吸水复活，但是度过期充满了未知的危险，脱水次数也是有限度的。正为此苦恼的三体人发现了极为适合他们生存和发展的地球的存在，派出了舰队前往灭绝地球人类，占领移民地球。舰队会在四百年后到达，人类文明的倒计时开始。

叶文洁后来离开红岸基地到清华任教，一次偶然遇见了继承了父亲四十五亿美元遗产的伊文斯，因为伊文斯也有着对人类文明现状的强烈不满，两人投缘。叶文洁向伊文斯透露了三体世界的信息。想要毁灭全人类的伊文斯听者有心，建立了第二红岸发射基地，与三体人建立起稳定的联系，并利用模拟三体文明的三体游戏吸引高知高权势的人群，成立了地球三体组织，目的在于帮助三体入侵地球，叶文洁成为了精神领袖。

三体人考虑到地球科学的加速进步会对自己的入侵带来威胁，向地球发射了两个由巨大计算机缩小成的原子大小的计算机（称为智子）。智子会在地球上所有的加速器中捣乱，改变实验粒子的运行轨迹或速度，造成假象，使高能物理中对粒子的研究、分析和计算无法正确进行，物理学就没有了发展的前途，从而确保地球科学被限制住。同时智子还可以充当无所不在的间谍，人类的任何行为都在三体人的监视之中，除了脑袋里思考的东西之外，人类对三体没有了秘密。

另外三体为了促进地球三体组织的壮大，在很多重要人物眼中用智子留下倒计时的影像，促使这些人去追寻倒计时的原因以信奉神迹，加入地球三体组织，不加入的或自杀或被地球三体组织所杀。上百名科学家的死亡引起了相关部门的怀疑，他们找到汪淼教授去玩三体游戏，得到了与地球三体组织接触的机会，得知了三体人即将入侵地球的消息。

物理学被锁死和叶文洁的秘密，导致叶的女儿物理学家杨冬对生活失去了信心自杀身亡。叶文洁只是希望外星人接管人类，与伊文斯意见并不统一。故而叶文洁在女儿杨冬墓前遇见女儿的同学社会学家罗辑时，引导罗辑思考宇宙社会学，告知了重要的宇宙社会学的两个公理和两个概念：猜疑链和技术爆炸，为罗辑以后发现黑暗森林威慑理论，挽救地球埋下了种子。这次会面自然没有逃过智子的监视，三体人意识到罗辑的潜在威胁，命令伊文思暗杀罗辑，罗辑因突发状况侥幸躲过了伪装成车祸的暗杀。

得知地球三体组织内幕的相关部门，抓获了叶文洁，并用“飞刃”材料毁灭了伊文思游轮基地，杀死了伊文思，得到了游轮基地上的情报。从此地球全面开始了对三体入侵的抵抗。因为只有思想是不会被智子探知的，所以联合国制定了“面壁计划”。选出来的“面壁人”可以调动全世界大量资源实现自己拯救地球的计划，并且无论所做的多么奇怪也不需要向任何人解释原因。

选出的四位面壁人，泰勒、希恩斯、雷迪亚兹和罗辑。前三位都是因为实力被选入，很平凡的罗辑之所以入选，是因为在收缴出的地球三体组织的资料里有来自三体的暗杀罗辑的指示，让联合国意识到三体畏惧罗辑。其他三位为面壁计划搞得如火如荼，罗辑却认为自己难当大任，又无法摆脱面壁人的身份，便消极怠工，以“我在工作，但是不需要解释”为由过着隐居的休闲生活，还利用职权寻找心中虚构出来的梦中情人。联合国为了让无所欲求的罗辑产生努力工作的动力，找到了极其符合罗辑虚构形象的女子庄颜，罗辑爱上庄颜并与之生儿育女。联合国利用冬眠技术让庄颜和孩子冬眠，声称要到四百年后三体到达的“末日”才唤醒她们。罗辑为了让心爱的妻儿能够在末日后也生存下去，开始拼命的思考如何挽救地球。三体人也在地球三体组织余党中挑选出3个专门对付面壁人的破壁人，只有罗辑因为其诡异性，没有被指派对应的破壁人。

与此同时，行星防御理事会战略情报局也提出了“阶梯计划”：向对地球人感兴趣的三体舰队发送地球人的活体，好让地球人进入三体内部为地球刺探情报。因为技术限制，只能运送半公斤的东西，局长托马斯·维德提出只需要运送冷冻的人类大脑即可，高度发达的三体人应该可以复苏大脑并克隆出整个身体。他的女部下程心推动通过了安乐死法，好获得绝症病人的健康大脑参加“阶梯计划”。

程心的同学云天明暗恋她，在得绝症后购买了恒星DX3906的产权匿名送给程心，并申请了安乐死。程心得知云天明身患绝症的消息，找到云天明邀请其参加“阶梯计划”。尽管深爱的女人不知道自己的心意还邀请自己去参加生不如死的计划，云天明还是同意了，并最终入选。程心知道是云天明送自己星星的时候，云天明的大脑已经被取出连同少量粮食种子发往三体舰队（云天明复活的话需要食物），程心痛不欲生。为了让后世继续推进阶梯计划，熟知计划的程心第一次冬眠。

而面壁计划这边，面壁人泰勒计划在末日决战之时，以球状闪电和宏原子聚变消灭己方地球太空军让其成为呈宏观量子态的幽灵舰队去抵抗三体（他认为已被摧毁的舰队不可能再被摧毁，已死的人不可能再死一次），该计划被他的破壁人识破并指出是没有作用的，还把他的计划向全世界披露。地球人指责泰勒没有人性。泰勒本可以说“是计划的一部分”，但是他选择了承认并自杀身亡。面壁计划被质疑，除罗辑外另外两个面壁人希恩斯与雷迪亚兹为躲风头进入为期20年的冬眠。

这一年罗辑回想与叶文洁的对话，从宇宙社会学的技术爆炸和猜疑链中，思考出了“黑暗森林”理论：宇宙中存在着无数文明，就像散落在黑暗森林中的猎人，不知道下一刻会跳出什么样的野兽伤害自己。所以每个文明都小心翼翼的躲避着被其他文明发现，以免可能会被其他文明毁灭。而自己发现有其他文明的时候，也猜疑着其是不是存在恶意，最简单最经济的方法就是抢先向疑似有文明的地方发起攻击，开一枪试试看。所以在宇宙中，一旦暴露己方坐标就等于坐等己方文明被毁灭（地球被三体锁定就是一个例证）。

因此罗辑认为可以利用黑暗森林法则，要是地球对太空广播三体世界的坐标，让三体世界暴露，总有其他文明会收到坐标后向三体世界开一枪试试看。以此为要挟可以建立起威慑，让三体不敢轻举妄动，保护地球得到喘息之机，然后发展科学缩小差距，最终摆脱三体威胁。但是这个理论需要实验，所以罗辑动用面壁人权利向太空广播了离地球几十光年远的恒星187J3X1的坐标，对外说是发送了毁灭咒语，被世人嘲笑。等待实验效果至少要上百年（送信号出去要几十年，被摧毁后的信号到地球也要几十年），加上罗辑感染了地球三体组织的基因病毒，所以进入冬眠。

在罗辑长达近200年的冬眠中，被唤醒的面壁人雷迪亚兹计划在水星布置一百万颗恒星级氢弹，一旦爆炸会引发太阳系的行星连锁坠入反应导致太阳系毁灭，三体也就失去可以移民的对象，在人类灭亡后三体也会灭绝，以此要挟三体。该计划被他的破壁人识破，向世界揭露，雷迪亚兹被控谋杀地球文明，他撒谎说自己体内有炸弹控制器，一旦死亡就会触发炸弹炸毁纽约，从而得以允许其回国，归国后被愤怒的人民用石头砸死。

而面壁人希恩斯则发明了表面上可以固化对三体必胜信念的思想钢印，暗中却给所有接受思想钢印的人脑海里固化了人类必败的认识，希望促使人类逃亡，后被破壁人其妻子山衫惠子识破，冬眠醒来后，在国际大会上被惠子揭穿，惠子自杀，他被取消面壁人身份。

罗辑苏醒后，因为一百多年来地球科技进步给人类带来了乐观精神，认为三体必败，面壁计划也被认为是失败的，他被取消面壁人身份。

此时亚洲舰队“自然选择”号执行舰长章北海虽不是思想钢印族，也认为人类必败，由于地球禁止逃亡（地球人类不可能都逃亡出太阳系，不患贫患不均，所以联合国只好宣布逃亡主义非法），章北海便操作“自然选择”号连带追击舰蓝色空间号、进取号、深空号、终极规律号逃亡，想为人类留下文明的种子。在逃亡中，因为补给不足问题，各舰船间互相产生了猜疑，都认为对方会先发制人发动攻击夺取能源与物资。都把枪口指向了战友，“黑暗战役”爆发，章北海阵亡，最终“蓝色空间”号幸存并逃亡（“蓝色空间”号舰长褚岩疑为钢印族）。

而三体在罗辑对太空广播恒星187J3X1坐标以后便意识到必须抢时间到地球封锁地球的广播能力，所以派出先进的武器“水滴”于此时先行到达太阳系，水滴不费吹灰之力便消灭了几乎全部的地球太空舰队，并呆在太阳附近干扰电磁波，封锁了人类利用太阳做放大器的对外广播能力。 地球太空舰队中只有量子号和青铜时代号逃离了战场。途中同样爆发了“黑暗战役”，最终“青铜时代”号幸存并逃亡。

人类终于观测到恒星187J3X1被“光粒”摧毁，罗辑的咒语生效了，于是罗辑被恢复面壁者身份，由于太阳已经被封锁，罗辑也没有了抵抗三体的有效方法，开始领导在三体人看来没有作用只是安抚地球人情绪的“雪地工程”。因此被人们轻视并被逐出居住处，孤身一人的罗辑来到叶文洁和杨冬的墓碑旁，拿出手枪对准自己的心脏，通过无处不在的智子与三体对话。

原来罗辑利用雪地工程，在太阳轨道上布置了三千六百一十四枚核弹，如果罗辑死去，所有核弹将被引爆，包裹核弹的油膜物质会形成围绕太阳的星际尘埃，在尘埃云团的遮挡下，太阳将在波段上发生闪烁。所有核弹的位置经过布置，使太阳闪烁形成的信号发送出三张图形，组合成三体世界的三维坐标图。太阳变成银河系中的灯塔，把咒语发送出去，当然太阳系和地球的位置也会同时暴露，这是玉石俱焚的方法。

三体人接受了罗辑的谈判条件，三体舰队偏离太阳系，地球与三体暂时和平。三体向地球传授科学知识，地球则利用自身爆炸性进步的优势（三体几乎是匀速发展）反过来帮助三体拯救偏离航道的三体舰队，黑暗森林威慑建立，庄颜和孩子被唤醒与罗辑团聚。

由于核弹开关要是掌握在集体手中，就起不到太大的威慑作用（因为要是三体不惧怕广播的风险进攻地球，在三体舰队到来前人类还有至少一代人的时间可以存活，这对活着的人就是全部了；如果为报复三体的进攻，向宇宙广播三体世界的坐标，地球一同暴露的话，来自不明世界的毁灭打击随时都可能到来，这个结果远糟于放弃广播。所以当三体进攻时，人类的群体反应完全可以预测：放弃广播三体坐标。但是如果开关掌握在某一个人手中，个体的反应则无法科学预测，威慑力度大于集体掌握。）因此联合国把开关交回给罗辑，罗辑成为“执剑人”（手执高悬两个文明头顶的达摩克利斯之剑）。也许是为了让庄颜和孩子彻底得到平静的生活，也许是受不了自己丈夫手握两个文明命运的沉重，也许是成为执剑人的巨大压力让罗辑异化，几年后庄颜带着孩子离开。罗辑每时每刻都不能有任何的软弱被三体看出，开始了长达50余年孤身一人与三体人对峙的执剑人生涯。

此间逃亡在外的“青铜时代”号见威慑成立欲返回，被诱回地球后，所有人被以反人类罪逮捕，“青铜时代”号向“蓝色空间”号发出警告讯息，“蓝色空间”号加速逃离。地球舰队的“万有引力”号与三体的水滴编队，开始追捕“蓝色空间”号（对其穷追不舍的原因是担心逃亡飞船会因为报复，对外广播两个文明的坐标）。

地球上女博士艾AA发现云天明送给程心的恒星DX3906存在类地行星，成为移民的希望。因产权问题唤醒程心。冬眠后醒来的程心的原上司托马斯·维德为成为第二代执剑人，射杀强有力的竞争者程心未果被捕入狱。程心当选第二任执剑人接替已是垂暮老者的罗辑，三体看出了程心的软弱，就在罗辑将宇宙广播系统开关交给程心的十五分钟后，太阳系内的六个水滴向地球发起攻击。果然，程心放弃发出宇宙广播，地球上宇宙广播系统被水滴摧毁，同时与“万有引力”号编队追击“蓝色空间”号的水滴欲攻击“蓝色空间”号和“万有引力”号。却被能够部分进入四维空间的的“蓝色空间”号摧毁（四维对三维的干涉是可以直接进入三维物体内部结构的），“蓝色空间”号占领“万有引力”号，对太空启动了宇宙广播，暴露了三体世界的坐标，然后继续远离太阳系寻找新的家园。（之所以人类可以进入四维空间，是因为人类生存的宇宙是一个从四维空间降维得到的三维空间。这种降维是由宇宙文明间的降维攻击导致，当全部宇宙被降低到三维空间后，还残留了一些极小的四维空间，称之为四维碎片。当三维人类进入四维碎片，可以跨越距离和障碍对三维空间的存在进行影响。）

不知道自己已经被暴露的三体通过人形机器人智子，开始强迫全人类向澳大利亚移民，一年后地球和三体得知了“万有引力”号的广播行为，三体放弃地球，人类从受三体入侵的威胁转为面临未知文明的打击威胁。

“万有引力”号上的科学家关一帆与四维空间的神秘飞船“墓地”对话，并观测到了四维碎块的降维毁灭过程。“墓地”的回答中实质上隐含了宇宙文明相互杀戮以及杀戮方式的残酷真相（某些文明为了彻底打击其他文明，先把自己改造成低维度生物，然后对其他没有进入低维度的文明进行降维攻击，以彻底消灭其他文明）。

几年后三体世界三个恒星中的一颗被未知文明用光粒摧毁，只有少量三体人逃亡成功。程心、罗辑、智子进行两个文明最后的谈话。原来云天明被三体截获后复活，已经进入三体文明内部，他要与程心见面。程心与云天明在太空中通过智子通讯交谈，因为被禁止交流拯救地球的方法（可能是为了防止逃过打击的地球发展起来后会对三体进行报复），云天明便冒险给程心讲了三个暗含拯救人类方法信息的童话，两人许下了也许永远都不能实现的以后在云天明送她的恒星DX3906星系相聚的约定，三体舰队带着云天明离开，彻底断绝了与地球的联系。

人类解读童话后得出了三种可能的拯救方法：1、掩体计划（建造太空城躲在巨行星背面，躲避未知文明对太阳进行光粒袭击时带来的毁灭能量）；2、黑域计划（改变太阳系的光速，将其降到16.7千米每秒，把太阳系转化成低光速黑洞以此对全宇宙证明人类文明的绝对安全，避免打击。但要付出技术自残的代价，使人类退回至低技术社会，且永远没有力量飞出低光速陷阱）；3、建造可以光速飞行的曲率驱动飞船逃离太阳系。黑域计划难度太大，实现之日漫漫无期，同时，因“曲率航迹”的发现，人们担心建造曲率驱动飞船会暴露人类的高科技水平，引起未知文明的警戒引来打击，人类最终把资源投入掩体计划。而云天明童话中“把人画到画里去，人就会死亡”的隐喻一直没有得到合理解释。

认可了前上司能力的程心将自己的星环公司交由刑满释放的托马斯·维德接管，维德承诺会在自己的行为会危及人类生命的时候唤醒程心，让她决断，程心与艾AA进入冬眠。 几年后托马斯·维德宣布研制曲率驱动飞船，联邦政府为阻止他，唤醒程心，程心不愿看见托马斯·维德与联邦政府兵戎相见，代表星环集团向联邦政府投降。托马斯·维德被判处死刑，程心再次冬眠。

55年后人类接触到了未知文明向地球投放的“二向箔”（这种武器会把三维物体降到二维从而消灭，之所以没有用光粒，是因为外星人注意到了太阳系有光粒打击不到的盲区），才意识到云天明童话中“把人（三维）画到画（二维）里去人就死亡”的意义，实际上，只有建造曲率驱动飞船以光速逃亡才是拯救地球文明的唯一方法，然而一切都为时已晚。

程心、艾AA苏醒，太阳系开始二维化，两人乘“星环号”来到冥王星，遇到了为人类文明建造墓碑的守墓人罗辑。罗辑告诉她们托马斯·维德死后，他的追随者藏在当年面壁人雷迪亚兹建造的水星基地中，暗中建造出了一艘曲率驱动飞船，就是她们乘坐的“星环号”。

程心由此得知曲率引擎运行时会产生“曲率航迹”，航迹内的光速降低。由此可以利用大功率曲率引擎产生的航迹来制造黑域（低光速黑洞），人类要是制造出了曲率引擎驱动飞船，愿意离开太阳系的可以逃亡，不愿意逃亡的可以留在地球，逃离的曲率引擎驱动飞船为地球制造黑域以躲避打击，可惜因为程心，人类失去了最后的机会。 罗辑决定留下，终于，太阳系降维消失，地球人类仅剩的最后两人程心与艾AA乘“星环号”离开太阳系。

程心自责自己没有支持托马斯·维德的计划，但是为了人类继续延续存在，不能自杀。于是决定去赶赴与云天明的约定，太阳系二维化数百年后，她们到达了恒星DX3906的类地行星，遇到了原“万有引力”号上的关一帆，得知“万有引力”和蓝色空间号上的人类在某个星系生存，关一帆是在此科考的。因为此地常有外星文明经过，非常危险，关一帆要在科考结束后带两人去星舰人类生存的新世界。程心与关一帆一起前去，艾AA留在原处等待。结果留在原处的艾AA等到了云天明，云天明要送给程心一个可以让他们几个人在一起生存躲过宇宙坍塌的“小宇宙空间”。

返程的程心与关一帆不慎进入黑域，坠入低光速空间，必须启动神经元计算机才能脱出，二人被迫冬眠十二天。低光速下，狭义相对论的律法仍然有效，在外面的参照系中，时间正以千万倍的速度闪电般地流逝。

这一次冬眠一觉就到了1700万年后，程心与关一帆苏醒，成功脱出光速，回去当年没能相聚的地方，在那里看到了云天明与艾AA留在地质岩层里面的信息：“我们度过了幸福的一生，送给你们一个小宇宙，在里面躲过坍缩。”他们进入了小宇宙，在里面遇见了管理者智子（复制体），两人决定在此延续人类文明。

而宇宙中有个文明，想把因为文明间的降维攻击从十维一步步跌到三维，现在又在向二维跌落的宇宙重新拉回高维，直接升维是不能的。但是从另一个方向努力，把宇宙降到零维，然后继续降维，就有可能从零的方向回到最初，使宇宙的维度重新回到十维的美好时代，所以宇宙在不断的坍塌。

一天程心与关一帆收到来自大宇宙的广播，归零文明号召各个躲在小宇宙中的文明归还来自大宇宙的物质，以避免大宇宙的膨胀并最终死亡。程心、关一帆及智子将自己的小宇宙物质归还大宇宙，留下保留了他们文明记忆的记忆体和一个五公斤重的生态球（作大死？），三人返回大宇宙某处一个未知行星开始前途未卜的新生活。