Лирическое «я», от лица которого ведётся повествование, — это «мимороб», безымянный инженер, обслуживающий Миму — машину, воспроизводящую чувственные образы, улавливаемые из самых отдалённых уголков Вселенной. Мимороб и Мима вместе с восемью тысячами пассажиров и экипажем находятся на борту «голдондера» Аниара, совершающего обычный рейс с Дорис (бывшей Земли) на Планету Тундр (так теперь, в сорок третьем веке, называется Марс). Полет голдондера кончается катастрофой. Круто повернув и избежав тем столкновения с астероидом, Аниара попадает в поток камней. Лавируя среди них по ломаной траектории, она теряет управление (выходит из строя «Саба-агрегат») и, окончательно сбившись с курса, устремляется в пустоту в направлении недостижимого созвездия Лиры.

К счастью, все основные узлы голдондера («теплопровод, светопровод и система гравитащии») в порядке. Впавшие в апатию после нахлынувшей паники и отчаяния пассажиры понемногу приходят в себя. Положение у них незавидное. Им предстоит «бесконечная одиссея»: ни свернуть, ни возвратиться назад, ни вызвать помощь нельзя, «локсодромная» скорость движения Аниары тоже не столь велика, чтобы они могли надеяться, что при их жизни Аниара могла бы долететь до созвездия, на которое направлен ее нос.

Оказавшиеся в состоянии вынужденного безделья, люди ищут, чем бы занять себя. Вскоре возникают экзотические религиозные секты, немалая часть пассажиров и экипажа становится «йургопоклонниками» («йург» — танец), проводящими все своё время в плотских удовольствиях. Им в этом помогают жрицы любви — «йургини» Дейзи, Йаль, Тщебеба и Либидель. Удовольствия (Мимороб тоже отдаёт им должное — с Дейзи) помогают забыться... но не полностью: большинство восьмитысячного населения Аниары (размеры голдондера огромны, его длина — 14 000 футов, ширина — 8000) предпочитает проводить время в залах Мимы, передающей стереоскопическую картинку происходящего на других планетах и звёздных системах — повсюду, где существует жизнь. Созданная человеком, Мима обладает способностью саморазвития, более того, она наделена сознанием и некоторой степенью свободы — в любом случае заставить ее лгать невозможно. Миму можно только выключить, с чем аниарцы не согласились бы: зрелища других миров, сколь бы ужасны и угнетающи они ни были, — а большей частью Мима передаёт картины распада: он в космосе преобладает — все же отвлекают мысли пассажиров от собственной участи.

Но вот на шестом году путешествия Мима начинает передавать страшные видения происходящего на Дорис: сгорает в вихрях огненного «фотонотурба» страна Гонд, потом в кипящую лаву превращается огромный Дорисбург, родина Аниары. Мима доносит до пассажиров не только «картинку», но также чувства и мысли погибающих на Земле: из «толщи камня» к ним взывают мертвецы — оглохший от взрыва и ослепший от световой вспышки. Теперь аниарцы понимают, что значит выражение «когда возопиют камни». Увиденное и услышанное надолго парализует их волю и желание жить. Странно ведёт себя после передачи и Мима: сначала в ее работе обнаруживаются помехи, затем она требует ремонта и просит выключить ее, на шестой день Мима заявляет Миморобу, что она ослепла, и отказывается работать: ее сознание травмировано — Мима уничтожает себя.

Отныне люди оказываются в полном одиночестве. Последняя ниточка, связывавшая их с миром, оборвана. Неудивительно, что многие аниарцы предаются воспоминаниям о прошлом. Мимороб, как бы заменяя Миму, оформляет их внутренние монологи. В самом пространном монологе Космический матрос, работавший ранее на перевозках людей с Дорис на Планету Тундр (на Марсе располагается теперь несколько зон, которые называются Тундра 1, Тундра 2 и т. д.), рассказывает о своей любви к Нобби, самоотверженной женщине, помогавшей убогим и отчаявшимся людям и любившей даже скудную и чахлую растительность тундры и ее отравленный металлами животный мир. Из монологов становится ясно, в какой механизированный ад превратилась Дорис-Земля — живое пламя горящей древесины показывают на ней школьникам как образец очень древней диковинки. В воспоминаниях других пассажиров как бы между прочим всплывают основные вехи пройденного человечеством пути: к XXIII веку «блистательное царство человека / в дыму войны блистало все тусклее, / проекты гуманистов провалились, / и снова приходилось рыть траншеи». Затем «сгусток звёздной пыли» заслонил Землю от Солнца на целых 10 столетий, и наступила новая эпоха оледенения, науки и искусства в результате пришли в упадок, но не пропали вовсе, а ещё через десяток веков пыль рассеялась и мир восстановился в прежнем блеске.

Но выглядит он на редкость бесчеловечно. Путешествия людей на Марс вынужденны: из-за долгих войн землян между собой и с другими планетами Дорис отравлена радиоактивностью. В космопортах Дорисбурга людей сортируют, согласно показаниям их «психоперфокарт». «Негоден гонд» (то бишь человек), и вместо Планеты Тундр его отправляют на болота Венеры, а там помещают в «Особнячки И голы», предназначенные для безболезненного умерщвления их обитателей. Земная область Гонд, прибежище беглецов из Дорисбурга, уничтожена «фотонотурбом». Взорвана, по-видимому, по приказу правителей Дорис, планета Ринд с ее главным городом Ксиномброй: обнажённая рабыня — пленница из этого города украшает собой «летучий сад» Шефорка — полновластного командира Аниары (и в прошлом коменданта «Особнячков Иголы»), фантомы «ксиномбр», как фурии мщения, преследуют аниарцев во сне. Вообще, будущее человечества предстаёт на страницах поэмы пугающе жестоким, размытым и хаотичным — именно таким его пассажиры Аниары и вспоминают. И все же им, изнывающим от бессмыслицы бытия, он желанен, и они отдали бы все, чтоб вернуться назад.

Напрасны попытки Мимороба восстановить Миму. И словно в на смешку над чаяниями аниарцев совсем рядом с ними происходит невероятное событие — в ту же сторону, что и Аниара, проносится, обгоняя ее, копье! Оно выпущено неизвестно кем. И неизвестно с какой целью. Но оно задаёт загадку каждому — «копье пронзило всех». Это случилось на десятый год путешествия. Аниарцы живут теперь в ожидании чуда. Но их подстерегают совсем другие неожиданности: то они попадают в скопление космической пыли, вызывающей на корабле панику (в результате разбиты увеличивавшие зрительный объем интерьеров зеркала, а их осколками зарезано несколько «йургинь»), то их охватывает жуткое ощущение бесконечного падения в колодец (и Миморобу стоит немалых усилий их из этого состояния вывести).

Как выясняется, мучительнее всего — ощущение бесцельности жизни. Шефорк, всевластный руководитель полёта, делает попытку преодолеть его по-своему: он учреждает культ своей личности, требующий приношения человеческих жертв. И что же? Пассажиров Аниары он этим не удивил: Мима накормила их зрелищами более страшными, фрагменты их можно просмотреть заново в частично восстановленном Миморобом Мимохранилище. Так проходят двадцать четыре года. К исходу их многие жители Аниары умирают естественной смертью. В их числе страшный Шефорк: убедившись, что его властные претензии ничуть подданных не трогают, и распяв напоследок на четырёх мощных магнитах нескольких служителей собственного культа, он, в прошлом тоже убийца, становится накануне кончины самым заурядным обывателем — власть питается внушёнными иллюзиями, которые жители Аниары воспринимать в их особом положении не в состоянии. Мимороб с грустью вспоминает свою попытку забыться в объятиях вздорной красавицы Дейзи (она давно умерла) и свою любовь к Изагель, женщине-пилоту, которая ушла из жизни по своей собственной воле. Энергия Аниары на исходе. Расположившись вокруг Мимы, у ее подножия, оставшиеся в живых, собрав все своё мужество, «освобождают время от пространства».