1부 — 삼체
이야기는 두 개의 시간대를 오간다. 하나는 1960~70년대 중국 문화대혁명 시기다. 물리학자 예원제는 홍위병들에게 아버지가 참혹하게 폭행당해 숨지는 모습을 목격한다. 아내(예원제의 어머니)마저 남편을 비판하는 데 가담했던 그 현장에서, 예원제는 인류에 대한 신뢰를 완전히 잃는다. 이후 그녀는 오지의 노동 부대로 끌려가고, 그곳에서 억울한 누명까지 쓴 뒤 극비 군사 시설인 '홍안 기지'로 발탁된다. 홍안 기지의 표면적 임무는 적국의 통신을 방해하는 전파 무기 개발이었지만, 실제 목적은 외계 문명과의 교신 시도였다. 예원제는 태양을 증폭기로 이용해 우주로 신호를 보낼 수 있다는 사실을 발견하고 몰래 신호를 발사하는데, 몇 년 뒤 삼체 문명으로부터 "다시는 응답하지 말라, 응답하면 침공당할 것이다"라는 경고 답신을 받는다. 하지만 인류에게 이미 환멸을 느낀 예원제는 오히려 지구로 와서 인류를 대신 다스려 달라는 답장을 보낸다.
또 다른 시간대는 현재의 중국. 나노 소재를 연구하는 물리학자 왕먀오는 최근 세계적인 기초과학자들이 잇달아 자살하는 사건에 휘말린다. 군 당국은 왕먀오에게 '과학의 경계'라는 학술 모임에 잠입해 정보를 캐달라고 요청하고, 이 과정에서 왕먀오는 자신의 눈에만 보이는 의문의 카운트다운 숫자를 목격하기 시작한다. 그는 '삼체'라는 이름의 VR 게임에 접속하면서, 태양이 세 개인 불안정한 행성에서 문명이 몇 번이고 절멸과 재건을 반복하는 삼체 세계의 존재를 알게 된다. 이 게임은 사실 삼체 문명이 실제로 존재한다는 것을 인류 협력자들에게 알리고 동조자를 모으기 위해 만든 것이었다.
수사가 진행되며 왕먀오와 형사 스창은 예원제가 이끄는 '지구 삼체 조직(ETO)'의 실체를 파악하게 된다. 이 조직은 삼체의 침공을 환영하는 이들로, 내부에는 인류의 완전한 멸망을 바라는 '종말파', 삼체를 구원자로 숭배하는 '구원파', 침공 이후 자신과 가족의 생존만을 바라는 '생존파'가 뒤섞여 있었다. 조직 내부의 배신자 판한이 처형당하는 과정에서 예원제가 조직의 총사령관임이 드러나고, 결국 군과 각국 정보기관이 힘을 합쳐 ETO의 핵심 정보가 담긴 배 '심판의 날'호를 파나마 운하에서 나노섬유로 절단해 궤멸시킨다. 이 작전으로 확보한 자료를 통해 인류는 삼체 함대가 이미 지구를 향해 출발했으며 도착까지 약 400년이 걸린다는 사실, 그리고 삼체가 '지자'라는 양성자 크기의 초지능 입자를 미리 보내 지구의 입자가속기 실험을 교란하고 인류의 과학 발전 자체를 봉쇄하고 있다는 사실을 알게 된다.
1부는 삼체 문명이 인류를 "벌레"라 부르며 경멸하는 메시지를 보내는 장면, 그리고 인류 역사상 벌레(해충)를 완전히 박멸한 적이 없다는 사실을 상기하며 희망을 잃지 않는 장면으로 마무리된다.
2부 — 암흑의 숲
2부의 중심인물은 사회학자 뤄지와 해군 장교 장베이하이다. 이야기는 예원제가 체포되기 전, 뤄지에게 '우주 사회학'이라는 새로운 학문을 연구해보라고 권유하는 장면에서 시작된다. 예원제는 두 가지 공리, 즉 "생존은 문명의 첫 번째 필요조건이다"와 "문명은 끊임없이 확장하지만 우주의 물질 총량은 불변한다"는 명제를 던져주고 떠난다. 시간이 흘러 삼체 함대의 존재가 전 지구에 알려지면서 인류 사회는 패배주의와 도피주의에 휩싸이고, UN은 삼체의 감시(지자)가 닿지 않는 유일한 영역인 '인간의 사고'에 착안해 '면벽 프로젝트'를 발족한다. 삼체를 막을 전략을 오직 머릿속에서만 구상하고 실행할 수 있는 네 명의 '면벽자'를 선정하는 것이다.
전직 미 국방장관 타일러, 베네수엘라 대통령 레이디아즈, 뇌과학자 힐인스, 그리고 아무 이력도 없던 뤄지가 면벽자로 지명된다. 타일러는 전 함대를 양자 상태로 만들어 '유령 함대'로 저항하려는 계획을 세우지만 ETO의 파벽자에게 간파당해 자살한다. 레이디아즈는 수성에 핵폭탄 100만 개를 터뜨려 태양계 전체를 태양으로 추락시키겠다고 위협하는 '공멸 전략'을 세웠으나 역시 간파당한다. 힐인스는 인간의 뇌에 특정 신념을 직접 각인하는 '멘탈 스탬프' 기술을 연구하지만, 훗날 그것이 사실 패배주의를 퍼뜨리려는 도피주의적 의도였음이 밝혀진다. 반면 아무 계획도 없어 보였던 뤄지는 호화로운 은둔 생활을 누리다가, 아내와 아이가 강제로 동면당하는 협박을 받은 뒤에야 진지하게 연구에 몰두한다. 그는 마침내 예원제가 남긴 공리로부터 '암흑의 숲 이론'을 완성한다. 우주의 모든 문명은 서로의 선의를 확인할 수 없기 때문에, 발견되는 즉시 상대를 공격할 수밖에 없는 침묵의 사냥터라는 이론이다. 뤄지는 이를 실험하기 위해 50광년 떨어진 한 항성의 좌표를 우주로 발사하고, 그 항성계가 훗날 실제로 파괴되었다는 사실을 확인하며 이론을 검증한다.
한편 장베이하이는 겉으로는 승리를 확신하는 군인처럼 행동하지만, 실은 인류가 절대 이길 수 없다는 것을 일찌감치 깨달은 은밀한 도피주의자였다. 그는 자신이 지휘하게 된 기함 '자연선택호'를 이끌고 함대에서 이탈해 도주를 시도한다. 이 무렵 삼체가 보낸 소형 탐사정 '물방울'이 태양계에 도착하고, 인류가 자랑하던 2천 척의 우주 함대는 이 물방울 단 하나에 의해 30분 만에 전멸당한다(이른바 '심판의 날 전투'). 겨우 살아남은 몇 척의 함선 사이에서는 생존을 위한 자원 쟁탈전이 벌어져 서로를 공격하는 참극까지 벌어진다. 이 절망적인 소식을 들은 뤄지는 마침내 자신이 찾던 답을 깨닫고, 삼체를 향해 "침공하면 태양계와 삼체 문명의 좌표를 모두 우주에 공개해 폭로하겠다"고 협박한다. 이는 자신이 죽으면 자동으로 좌표가 발사되도록 설계한 '죽은 자의 스위치'였다. 결국 삼체는 이 위협에 굴복해 침공을 중단하고 함대를 철수시키며, 뤄지는 인류를 구한 영웅이자 이후 인류 유일의 방어 수단인 '검잡이'가 된다.
3부 — 사신의 영생
3부는 15세기 콘스탄티노플 공방전에서 짧게 나타났던 정체불명의 4차원 현상을 프롤로그로 시작한다. 본격적인 이야기는 뤄지가 검잡이로 활동하던 시기, 항공우주공학 전공자 윈톈밍과 그의 짝사랑 상대였던 청신을 중심으로 전개된다. 말기 암 환자였던 윈톈밍은 안락사를 앞두고 재산 전부를 들여 청신에게 별 하나를 익명으로 선물한다. 이후 청신은 UN 산하 행성방위 기구에서 일하며, 삼체 함대에 첩자를 보내기 위해 인간의 뇌만을 광속에 가깝게 가속시켜 발사하는 '계단 프로젝트'를 제안한다. 뜻밖에도 이 프로젝트의 실행 대상으로 윈톈밍이 선정되고, 그의 뇌는 우주로 발사되지만 도중에 궤도를 이탈해 행방불명된다.
시간이 흘러 뤄지가 노쇠하면서 청신이 2대 검잡이로 선정된다. 하지만 삼체의 물방울들이 일제히 지구를 공격해오는 결정적 순간, 청신은 인류 전체를 파멸시킬 수도 있는 발사 스위치를 차마 누르지 못하고 만다. 이 때문에 지구의 방어망은 무력화되고, 삼체 함대는 지구를 침공해 전 인류를 호주로 강제 이주시키는 참혹한 시대가 열린다. 하지만 우주로 도망쳤던 두 척의 함선, '그래비티호'와 '블루스페이스호'가 우연히 4차원 공간의 파편과 접촉해 특수 기술을 얻은 뒤, 삼체 문명의 좌표를 전 우주에 발사하는 보복에 성공한다. 이로 인해 삼체의 모항성계가 파괴되고 침공군은 철수하며, 인류는 다시 평화를 되찾는다.
이후 인류는 삼체와 평화적으로 교류하게 되고, 그 무렵 삼체에게 수거되어 그들의 세계에서 살아가고 있던 윈톈밍과 청신이 극도로 제한된 감시 하에 재회한다. 윈톈밍은 검열을 피해 세 편의 동화 형식으로 인류에게 우주의 생존법을 암호화해 전달하는데, UN의 오랜 해독 끝에 이 동화들이 '광속에 가까운 우주선을 개발하는 방법'과 '태양계 자체를 빛조차 빠져나가지 못하는 저광속 영역으로 은폐하는 방법'을 은유하고 있었다는 사실이 밝혀진다. 인류는 목성 등 거대 행성 뒤에 숨어 사는 '벙커 프로젝트', 태양계를 은폐하는 '블랙존 프로젝트', 광속 우주선으로 아예 태양계를 탈출하는 프로젝트를 동시에 추진한다. 그러나 광속 우주선 기술이 오히려 태양계의 위치를 우주 전체에 광고하는 위험한 흔적(항적)을 남긴다는 사실이 알려지며 여론이 급변하고, 우주로 도망치려는 대규모 혼란 속에 수많은 사상자를 낸 '탈출 사건'까지 겹치며 광속 우주선 프로젝트는 공식적으로 폐기된다. 다만 냉혹한 인물 토마스 웨이드만이 홀로 개발을 은밀히 이어가다 훗날 처형당한다.
수십 년 뒤, 인류가 거대 행성 뒤에 우주 도시를 건설해 안정을 찾아갈 무렵, 정체불명의 초고등 문명이 삼체의 옛 좌표를 확인하고 태양계마저 표적으로 삼는다. 그들이 던진 '이차원화 무기'에 의해 태양계 전체가 3차원에서 2차원 평면으로 붕괴하는 대재앙이 벌어지고, 인류 문명은 사실상 절멸한다. 청신은 동료 AA와 함께 웨이드가 비밀리에 완성해둔 광속 우주선 '헤일로호'를 타고 가까스로 탈출해, 과거 윈톈밍이 선물했던 별로 향한다. 광속 항해로 인한 극심한 시간 지연 때문에 우주선 안에서는 며칠에 불과했던 시간이 바깥에서는 수백만 년으로 흘러버리고, 청신이 도착했을 때 그곳에 남아 있던 문명은 이미 아득한 과거에 소멸한 뒤였다. 청신은 다른 생존자와 함께 암석에 새겨진 메시지, 그리고 자신들을 위해 미리 마련된 작은 인공 소우주를 발견한다.
이야기의 마지막은 우주적 차원으로 확장된다. 대우주 자체가 지나치게 많은 문명들이 만들어낸 작은 인공 우주들 때문에 질량을 잃어 정상적인 수축과 재탄생(빅뱅)에 실패하고 서서히 식어가고 있다는 사실이 드러난다. 청신과 동료는 자신들이 머물던 작은 우주의 질량을 대우주에 돌려주기로 결심하고, 인류와 삼체 문명의 모든 기록을 담은 타임캡슐 하나와 생명의 흔적으로 남길 작은 어항 하나만을 남긴 채 그 결정을 실행한다. 소설은 텅 빈 작은 우주 안에 맺힌 이슬 한 방울이 어딘가로 빛을 반사하는 장면으로 조용히 막을 내린다.