ダーズリー家での過酷な夏休みを過ごしていたハリーの前に、突如として屋敷しもべ妖精のドビーが現れ、「ホグワーツに戻ってはならない」と警告します。警告を無視して親友ロン・ウィーズリーたちと共に空飛ぶ車（フォード・アングリア）で学校へ向かったハリーですが、新学期早々、不穏な事態に巻き込まれることになります。
城の壁に血文字で記された「秘密の部屋は開かれたり。継承者の敵よ、用心せよ」という警告とともに、管理人の猫ミセス・ノリスをはじめ、コリン・クリービー、ジャスティン・フィンチ＝フラッチリー、そしてハリーの無二の親友であるハーマイオニー・グレンジャーまでもが次々と「石化」状態で発見されます。疑いの目は、決闘クラブで蛇と会話できる「蛇語（パーセルマウス）」の能力を露呈してしまったハリー自身に向けられることになりました。
事件の手がかりを追う中で、ハリーは50年前に封印された「トム・リドルの日記」を手に入れます。リドルの記憶に導かれ、かつて部屋を開けた容疑で退学となったルビウス・ハグリッドの無実を信じるハリーとロンは、禁じられた森の巨大蜘蛛アラゴグの証言や、石化されたハーマイオニーが握りしめていたメモから怪物の正体に辿り着きます。
ロンの妹ジニー・ウィーズリーが秘密の部屋へ連れ去られる非常事態が発生し、ハリーは嘆きのマートルがいる女子トイレの配水管から地下深くの部屋へ突入。そこでジニーの生命力を吸い取って実体化しつつあった若き日のヴォルデモート（トム・リドル）と対峙します。ダンブルドアの忠誠の証である不死鳥フォークスが届けた「組み分け帽子」からグリフィンドールの剣を引き抜いたハリーは、怪物を討ち果たし、怪物の牙で日記を突き刺してリドルの幻影を消滅させ、無事にジニーを救出しました。
