Действие происходит в провинциальном городке Скотопригоньевске в 1870-е гг. В монастыре, в скиту знаменитого старца Зосимы, известного подвижника и целителя, собираются для выяснения своих семейных имущественных дел Карамазовы — отец Федор Павлович и сыновья — старший Дмитрий и средний Иван. На этом же собрании присутствуют и младший брат Алеша, послушник у Зосимы, а также ряд других лиц — родственник Карамазовых богатый помещик и либерал Миусов, семинарист Ракитин и несколько духовных лиц. Повод — спор Дмитрия с отцом о наследственных отношениях. Дмитрий считает, что отец должен ему крупную сумму, хотя очевидных юридических прав у него нет. Федор же Павлович, дворянин, помещик из мелких, бывший приживальщик, злой и обидчивый, денег давать сыну вовсе не собирается, а соглашается на встречу у Зосимы скорее из любопытства. Отношения Дмитрия с отцом, который никогда особой заботы о сыне не проявлял, напряжены не только из-за денег, но и из-за женщины — Грушеньки, в которую оба страстно влюблены. Дмитрий знает, что у похотливого старика для неё приготовлены деньги, что он готов даже жениться, если та согласится.

Встреча в скиту представляет сразу почти всех главных героев. Страстный порывистый Дмитрий способен на опрометчивые поступки, в которых потом сам же глубоко раскаивается. Умный, загадочный Иван мучается вопросом о существовании Бога и бессмертия души, а также ключевым для романа вопросом — все дозволено или не все? Если есть бессмертие, то не все, а если нет, то умный человек может устроиться в этом мире как ему заблагорассудится, — такова альтернатива. Федор Павлович — циник, сладострастник, скандалист, комедиант, стяжатель, всем своим видом и действиями вызывает у окружающих, в том числе и у собственных сыновей, омерзение и протест. Алеша — юный праведник, чистая душа, болеет за всех, особенно же за братьев.

Ничего из этой встречи, кроме скандала, за которым последуют ещё многие, не происходит. Однако мудрый и проницательный старец Зосима, остро чувствующий чужую боль, находит слово и жест для каждого из участников встречи. Перед Дмитрием он становится на колени и кланяется до земли, как бы предчувствуя его будущее страдание, Ивану отвечает, что вопрос ещё не решён в его сердце, но если не решится в сторону положительную, то не решится и в сторону отрицательную, и благословляет его. Федору Павловичу он замечает, что все его шутовство от того, что он стыдится себя. От утомлённого старца большая часть участников встречи по приглашению игумена переходит в трапезную, но там же неожиданно появляется с обличающими монахов речами и Федор Павлович. После очередного скандала все разбегаются.

Старец после ухода гостей благословляет Алешу Карамазова на великое послушание в миру, наказывая ему быть рядом с братьями. Следуя наставлению старца, Алеша направляется к отцу и встречает прячущегося в соседнем с отцовской усадьбой саду брата Дмитрия, который сторожит здесь свою возлюбленную Грушеньку, если та, соблазнённая деньгами, все-таки решится прийти к Федору Павловичу. Здесь, в старинной беседке, Дмитрий восторженно исповедуется Алеше. Ему, Дмитрию, случалось погружаться в самый глубокий позор разврата, но в этом-то позоре он начинает чувствовать связь с Богом, ощущать великую радость жизни. Он, Дмитрий, сладострастное насекомое, как и все Карамазовы, а сладострастие — буря, большие бури. В нем живёт идеал Мадонны, как и идеал содомский. Красота — страшная вещь, говорит Дмитрий, тут дьявол с Богом борется, а поле битвы — сердца людей. Рассказывает Дмитрий Алеше и о своих отношениях с Катериной Ивановной, благородной девицей, отца которой он когда-то спас от позора, ссудив его недостающими для отчёта в казённой сумме деньгами. Он предложил, чтобы сама гордая девушка пришла к нему за деньгами, та явилась, униженная, готовая ко всему, но Дмитрий повёл себя как благородный человек, дал ей эти деньги, ничего взамен не потребовав. Теперь они считаются женихом и невестой, но Дмитрий увлечён Грушенькой и даже прокутил с ней на постоялом дворе в селе Мокрое три тысячи, данные ему Катериной Ивановной для отсылки сестре в Москву. Он считает это главным своим позором и как честный человек должен всю сумму непременно вернуть. Если же Грушенька придёт к старику, то Дмитрий, по его словам, ворвётся и помешает, а если... то и убьёт старика, которого люто ненавидит. Дмитрий просит брата сходить к Катерине Ивановне и сказать ей, что он кланяется, но больше не придёт.

В доме отца Алеша застаёт за коньячком Федора Павловича и брата Ивана, забавляющихся рассуждениями лакея Смердякова, сына бродяжки Лизаветы и, по некоторым предположениям, Федора Павловича. А вскоре внезапно врывается Дмитрий, которому показалось, что пришла Грушенька. В ярости он избивает отца, но убедившись, что ошибся, убегает. Алеша же направляется по его просьбе к Катерине Ивановне, где неожиданно застаёт Грушеньку. Катерина Ивановна ласково обхаживает её, показывая, что заблуждалась, считая её продажной, а та медоточиво ей отвечает. В конечном счёте все опять заканчивается скандалом: Грушенька, собираясь было поцеловать ручку Катерины Ивановны, внезапно демонстративно отказывается это сделать, оскорбив соперницу и вызвав её ярость.

На следующий день Алеша, переночевав в монастыре, снова идёт по мирским делам — сначала к отцу, где выслушивает очередную исповедь, теперь уже Федора Павловича, который жалуется ему на сыновей, а про деньги говорит, что они ему самому нужны, потому что он пока все-таки мужчина и хочет ещё лет двадцать на этой линии состоять, что в скверне своей до конца хочет прожить и Грушеньку Дмитрию не уступит. Сплетничает он Алеше и про Ивана, что тот у Дмитрия невесту отбивает, потому что сам в Катерину Ивановну влюблён.

По пути Алеша видит школьников, бросающих камни в маленького одинокого мальчика. Когда Алеша подходит к нему, тот сначала бросает в него камнем, а потом больно кусает за палец. Этот мальчик — сын штабс-капитана Снегирева, который недавно был унизительно вытащен за бороду из трактира и избит Дмитрием Карамазовым за то, что имел какие-то вексельные дела с Федором Павловичем и Грушенькой.

В доме Хохлаковой Алеша застаёт Ивана и Катерину Ивановну и становится свидетелем очередного надрыва: Катерина Ивановна объясняет, что она будет верна Дмитрию, будет «средством для его счастья», и спрашивает мнение Алеши, который простодушно объявляет, что она вовсе не любит Дмитрия, а только уверила себя в этом. Иван сообщает, что уезжает надолго, потому что не хочет сидеть «подле надрыва», и добавляет, что Дмитрий ей нужен, чтобы созерцать беспрерывно свой подвиг верности и упрекать его в неверности.

С двумя сотнями рублей, данными ему Катериной Ивановной для пострадавшего от рук Дмитрия штабс-капитана Снегирева, Алеша направляется к нему. Поначалу капитан, отец большого семейства, живущего в крайней нищете и болезнях, юродствует, а затем, расчувствовавшись, исповедуется Алеше. Он принимает от него деньги и вдохновенно представляет, что теперь сможет осуществить.

Затем Алеша снова посещает госпожу Хохлакову и душевно беседует с её дочерью Лизой, болезненной и экспансивной девочкой, которая написала ему недавно о своей любви и решила, что Алеша должен на ней непременно жениться. Спустя короткое время она признается Алеше, что хотела бы быть истерзанной — например, чтоб на ней женились и потом бросили. Она описывает ему страшную сцену истязания распятого ребёнка, воображая, что сама сделала это, а потом села напротив и стала есть ананасный компот, «Бесёнок» — назовёт её Иван Карамазов.

Алеша направляется в трактир, где, как стало ему известно, находится брат Иван. В трактире происходит одна из ключевых сцен романа — свидание двух «русских мальчиков», которые если сойдутся, то тут же начинают о мировых вековечных вопросах. Бог и бессмертие — один из них. Иван приоткрывает свою тайну, отвечая на незаданный, но чрезвычайно интересующий Алешу вопрос, «каково ты веруешь?».

В нем, Иване, есть карамазовская жажда жизни, он любит жизнь вопреки логике, ему дороги клейкие весенние листочки. И он не Бога не принимает, а мира Божьего, полного безмерных страданий. Он отказывается согласиться с гармонией, в основании которой слезинка ребёнка. Он выкладывает Алеше «фактики», свидетельствующие о вопиющей людской жестокости и детском страдании. Иван пересказывает Алеше свою поэму «Великий инквизитор», действие которой происходит в шестнадцатом столетии в испанском городе Севилья. Девяностолетний кардинал заточает в тюрьму второй раз сошедшего на землю Христа и во время ночной встречи излагает Ему свой взгляд на человечество. Он убеждён, что Христос идеализировал его и что оно недостойно свободы. Выбор между добром и злом — мука для человека. Великий инквизитор с соратниками решают исправить дело Христово — побороть свободу и самим устроить человеческое счастье, превратив человечество в послушное стадо. Они берут на себя право распоряжаться человеческой жизнью. Инквизитор ждёт ответа от Христа, но тот только молча целует его.

Расставшись с Алешей, Иван по пути домой встречает Смердякова, и между ними происходит решающий разговор. Смердяков советует Ивану ехать в деревню Чермашню, где старик продаёт рощу, он намекает на то, что в его отсутствие с Федором Павловичем может произойти все, что угодно. Иван обозлён смердяковской наглостью, но в то же время и заинтригован. Он догадывается, что от его решения многое сейчас зависит. Он решает ехать, хотя по пути изменяет маршрут и направляется не в Чермашню, а в Москву.

Между тем умирает старец Зосима. Все ждут после смерти праведника чуда, а вместо этого очень скоро появляется запах тления, что производит смуту в душах. Смущён и Алеша. В таком настроении уходит он из монастыря в сопровождении семинариста-атеиста Ракитина, интригана и завистника, который ведёт его в дом к Грушеньке. Хозяйку они находят в тревожном ожидании какой-то вести. Обрадованная приходу Алеши, она сначала ведёт себя как кокетка, садится ему на колени, но, узнав про смерть Зосимы, резко меняется. В ответ на Алешины тёплые слова и то, что он её, грешную, называет сестрой, Грушенька оттаивает сердцем и посвящает его в свои терзания. Она ждёт весточки от своего «бывшего», который когда-то соблазнил её и бросил. Много лет она лелеяла мысль о мщении, а теперь готова поползти, как собачонка. И действительно, сразу после получения весточки она мчится на зов «бывшего» в Мокрое, где тот остановился.

Алеша, умиротворённый, возвращается в монастырь, молится возле гроба Зосимы, слушает чтение отцом Паисием Евангелия о браке в Кане Галилейской, и ему, задремавшему, чудится старец, который хвалит его за Грушеньку. Сердце Алеши все больше наполняется восторгом. Очнувшись, выходит он из кельи, видит звезды, золотые главы собора и повергается в радостном исступлении на землю, обнимает и целует её, душой прикоснувшись к мирам иным. Простить ему хочется всех и у всех прощения просить. Что-то твёрдое и незыблемое входит в его сердце, преображая его.

В это время Дмитрий Карамазов, терзаемый ревностью к отцу из-за Грушеньки, мечется в поисках денег. Он хочет увезти её и начать вместе с ней где-нибудь добродетельную жизнь. Нужны ему деньги и для того, чтобы возвратить долг Катерине Ивановне. Он идёт к покровителю Грушеньки, богатому купцу Кузьме Самсонову, предлагая за три тысячи свои сомнительные права на Чермашню, а тот в насмешку посылает его к купцу Горсткину (он же Лягавый), торгующему у Федора Павловича рощу. Дмитрий мчится к Горсткину, находит его спящим, всю ночь ухаживает за ним, чуть не угоревшим, а утром, пробудившись после недолгого забытья, застаёт мужика безнадёжно пьяным. В отчаянии Дмитрий направляется к Хохлаковой одолжить денег, та же пытается вдохновить его идеей золотых приисков.

Потеряв время, Дмитрий спохватывается, что, может, упустил Грушеньку, и, не найдя её дома, крадётся к отцовскому дому. Он видит отца одного, в ожидании, но сомнение не покидает его, так что он производит секретный условный стук, которому научил его Смердяков, и, убедившись, что Грушеньки нет, бежит прочь. В этот момент и замечает его вышедший на крыльцо своего домика камердинер Федора Павловича Григорий. Он бросается за ним и настигает, когда тот перелезает через забор. Дмитрий бьёт его захваченным в доме Грушеньки пестиком. Григорий падает, Дмитрий спрыгивает к нему посмотреть, жив ли он, и вытирает ему окровавленную голову носовым платком.

Затем он снова бежит к Грушеньке и уже там добивается от служанки правды. Дмитрий с внезапно оказавшейся в его руках пачкой сторублёвых кредиток направляется к чиновнику Перхотину, которому совсем недавно за десять рублей заложил пистолеты, чтобы вновь выкупить их. Здесь он немного приводит себя в порядок, хотя весь вид его, кровь на руках и одежде, а также загадочные слова возбуждают у Перхотина подозрения. В соседней лавке Дмитрий заказывает шампанское и прочие яства, веля доставить их в Мокрое. И сам, не дожидаясь, скачет туда на тройке.

На постоялом дворе он застаёт Грушеньку, двух поляков, симпатичного молодого человека Калганова и помещика Максимова, развлекающего всех своим шутовством. Грушенька встречает Дмитрия с испугом, но затем радуется его приезду. Тот робеет и заискивает перед ней и перед всеми присутствующими. Разговор не клеится, тогда затевается партия в карты. Дмитрий начинает проигрываться, а потом, видя загоревшиеся глаза вошедших в азарт панов, предлагает «бывшему» деньги, чтобы тот отступился от Грушеньки. Внезапно обнаруживается, что поляки подменили колоду и за игрой мухлюют. Их выводят и запирают в комнате, начинается гулянье — пир, песни, пляски... Грушенька, захмелев, вдруг понимает, что только одного Дмитрия и любит и теперь связана с ним навечно.

Вскоре в Мокром появляются исправник, следователь и прокурор. Дмитрия обвиняют в отцеубийстве. Он поражён — ведь на его совести только кровь слуги Григория, а когда ему сообщают, что слуга жив, то он сильно воодушевляется и с готовностью отвечает на вопросы. Выясняется, что не все деньги Катерины Ивановны были им растрачены, а только часть, остальная же была зашита в мешочек, который Дмитрий носил на груди. В этом была его «великая тайна». В том был и позор для него, романтика в душе, проявившего некоторую осмотрительность и даже расчётливость. Именно это признание даётся ему с наибольшим трудом. Следователю же понять это вовсе не под силу, а прочие факты свидетельствуют против Дмитрия.

Во сне Митя видит плачущее в тумане дитё на руках измождённой бабы, он все домогается узнать, почему оно плачет, почему не кормят его, почему голая степь и почему не поют радостных песен.

Великое, никогда не бывалое умиление поднимается в нем, и хочется ему что-то сделать, хочется жить и жить, и в путь идти «к новому зовущему свету».

Вскоре выясняется, что убил Федора Павловича лакей Смердяков, притворявшийся разбитым падучей. Как раз в тот момент, когда старик Григорий лежал без сознания, он вышел и, маня Федора Павловича Грушенькой, заставил отпереть дверь, несколько раз ударил по голове пресс-папье и забрал из известного только ему места роковые три тысячи. Теперь уже действительно больной Смердяков сам рассказывает обо всем посетившему его Ивану Карамазову, вдохновителю преступления. Ведь именно его идея вседозволенности произвела на Смердякова неизгладимое впечатление. Иван не хочет признать, что преступление было совершено с тайного его согласия и при его попустительстве, но муки совести так сильны, что он сходит с ума. Ему мерещится черт, эдакий русский джентльмен в клетчатых панталонах и с лорнетом, который насмешливо высказывает собственные мысли Ивана, а тот пытает его, есть Бог или нет. Во время последнего свидания со Смердяковым Иван говорит, что признается во всем на предстоящем суде, и тот, растерянный, при виде нетвёрдости так много значившего для него Ивана, отдаёт ему деньги, а потом вешается.

Катерина Ивановна вместе с Иваном Федоровичем строят планы побега Дмитрия в Америку. Однако между ней и Грушенькой продолжается соперничество, Катерина Ивановна ещё не уверена, как она выступит на суде — вызволительницей или погубительницей своего бывшего жениха. Дмитрий же во время свидания с Алешей выражает желание и готовность пострадать и страданием очиститься. Судебный процесс начинается опросом свидетелей. Свидетельства за и против поначалу не складываются в ясную картину, но, скорее, все-таки в пользу Дмитрия. Поражает всех выступление Ивана Федоровича, который после мучительных колебаний сообщает суду, что убил повесившийся Смердяков, и в подтверждение выкладывает пачку полученных от него денег. Смердяков убил, говорит он, а я научил. Он бредит в горячке, обвиняя всех, его силой уводят, но сразу после этого начинается истерика Катерины Ивановны. Она предъявляет суду документ «математической» важности — полученное накануне преступления письмо Дмитрия, где тот грозится убить отца и взять деньги. Это показание оказывается решающим. Катерина Ивановна губит Дмитрия, чтобы спасти Ивана.

Далее ярко, красноречиво и обстоятельно выступают местный прокурор и известный столичный адвокат Фетюкович. Оба умно и тонко рассуждают, рисуют картину российской карамазовщины, проницательно анализируют социальные и психологические причины преступления, убеждая, что обстоятельства, атмосфера, среда и низкий отец, который хуже чужого обидчика, не могли не подтолкнуть к нему. Оба заключают, что Дмитрий — убийца, хотя и невольный. Присяжные признают Дмитрия виновным. Дмитрия осуждают.

После суда Дмитрий заболевает нервной лихорадкой. К нему приходит Катерина Ивановна и признается, что Дмитрий навсегда останется язвой в её сердце. И что хоть она любит другого, а он другую, все равно она и его, Дмитрия, будет любить вечно. И ему наказывает любить себя всю жизнь. С Грушенькой же они так и остаются непримиренными врагами, хоть Катерина Ивановна скрепя сердце и просит у той прощения.

Завершается роман похоронами Илюшеньки Снегирева, сына капитана Снегирева. Алеша Карамазов призывает собравшихся у могилы мальчиков, с которыми подружился, посещая Илюшу во время его болезни, быть добрыми, честными, никогда не забывать друг о друге и не бояться жизни, потому что жизнь прекрасна, когда делается хорошее и правдивое.