Натаниэль пишет другу, брату своей невесты, Лотару. В письме молодой человек рассказывает о своём детском страхе перед Песочным человеком, приходящем за детьми, которые не хотят идти спать.
В детстве Натаниель и его сёстры по вечерам собирались в гостиной, а отец рассказывал им интересные истории. В девять вечера мама говорила, что скоро придёт Песочный человек, спешно уводила детей спать, и вскоре на лестнице раздавались медленные, тяжёлые шаги. Натаниель был уверен, что к отцу приходит страшный Песочный человек, хотя мать и отрицала это.
Старая няня Натаниэля рассказала, что Песочный человек забирает у детей глаза и скармливает их своим детям с совиными клювами, которые живут в свитом на Луне гнезде. После этого рассказа Натаниэля начали мучить кошмары.
Однажды Натаниэль решил увидеть Песочника и после девяти вечера спрятался в комнате отца. Песочником оказался адвокат Коппелиус, который частенько у них обедал. Он был на редкость противным человеком, дети, и их мама боялись и ненавидели его, а отец относился к Коппелиусу с большим почтением.
Натаниэль оцепенел от страха, а адвокат и отец открыли дверцы стенного шкафа, за которыми оказался глубокий альков с небольшой жаровней, развели огонь и принялись что-то ковать. Глухим голосом Коппелиус велел подать ему глаза, и Натаниэль, охваченный ужасом, вывалился из своего укрытия.
Адвокат схватил мальчика, намереваясь использовать его глаза в своих опытах, но отец умолил его пощадить сына. Тогда Коппелиус принялся вертеть и сгибать руки и ноги ребёнка, желая изучить их механизм. Натаниэль потерял сознание и много недель пролежал в горячке.
Копеллиус исчез из города, но год спустя вновь появился в доме Натаниэля и принялся за алхимические опыты. Глубокой ночью прогремел взрыв, отец погиб, а Коппелиуса начала разыскивать полиция, и он исчез.
Незадолго до написания письма, уже будучи студентом, Натаниэль снова увидел Песочника — он явился к нему под личиной продавца барометров, пьемонтского механика Джузеппе Копполы, но был очень похож на Коппелиуса. Юноша решил встретиться с ним и отомстить за смерть отца.
Клара случайно читает письмо, адресованное её брату Лотару, и пытается доказать своему жениху Натанаэлю, что всё это лишь фантазия, принимаемая им за реальность.
В ответном письме Натаниэль посмеивается над здравомыслием своей невесты и просит друга более не давать ей читать свои письма. Теперь Натаниэль уверен: Джузеппе Коппола вовсе не адвокат Коппелиус. В этом его убедил профессор физики Спаланцани, лекции которого юноша начал посещать. Учёный знает Копполу много лет и уверен, что тот коренной пьемонтец. Упоминает Натаниэль и о загадочной дочери профессора, Олимпии, невероятно красивой девушке, которую Спаланцани скрывает от чужих глаз.
Эти письма попадают в руки рассказчика. Основываясь на них, он описывает дальнейшую судьбу Натаниэля. Рассказчик сообщает, что после гибели отца мать Натаниэля взяла в дом осиротевших детей дальнего родственника — Лотара и Клару. Вскоре Лотар стал лучшим другом юноши, а Клара его возлюбленной и невестой. После обручения Натаниэль уехал учиться в другой город, откуда и писал свои письма.
После последнего письма Натаниэль прервал свои занятия науками и приехал к невесте. Клара обнаружила, что её возлюбленный сильно изменился — стал мрачным, задумчивым, полным мистических предчувствий.
Натаниэль начал писать странные стихи, которые раздражали и сердили здравомыслящую и умную Клару. Юноша начал считать невесту холодной и бесчувственной, неспособной понять его поэтическую натуру.
Однажды Натаниэль написал особенно жуткое стихотворение. Оно испугало Клару, и девушка попросила сжечь его. Обиженный юноша довёл невесту до слёз, за что Лотар вызвал его на дуэль. Клара узнала об этом и поспешила на место поединка, где и произошло полное примирение.
К учёбе Натаниэль вернулся почти прежним. Приехав, он с удивлением обнаружил, что дом, где он снимал квартиру, сгорел. Друзья сумели спасти его вещи и сняли для него помещение напротив квартиры профессора Спаланцани. Натаниэлю была видна комната Олимпии — девушка часами сидела неподвижно, гладя перед собой.
Однажды вечером к Натаниэлю вновь явился Коппола и, гадко посмеиваясь, продал ему подзорную трубу с удивительно хорошими линзами. Юноша лучше рассмотрел Оливию и поразился её совершенству. Целые дни он смотрел на Оливию, пока Спаланцани не велел занавесить окна в комнате дочери.
Вскоре Спаланцани устроил большой бал, на котором Натаниэль познакомился с Оливией и влюбился в девушку до беспамятства, забыв о своей невесте. Он не замечал, что Оливия почти не говорит, руки её холодны, а движения как у механической куклы, хотя на остальных студентов девушка произвела отталкивающее впечатление. Напрасно Зигмунд, лучший друг Натаниэля, пытался образумить его — юноша ничего не хотел слушать.
После бала профессор разрешил Натаниэлю навещать Оливию.
Юноша шёл делать Оливии предложение, когда услышал шум в кабинете Спаланцани и обнаружил там профессора и ужасного Коппелиуса. Они ссорились и вырывали друг у друга неподвижную женскую фигуру. Это была лишённая глаз Оливия.
Выяснилось, что Олимпия на самом деле не человек, а автомат, изобретённый профессором и адвокатом. Коппелиус вырвал у профессора куклу и сбежал, а Спаланцани заявил, что глаза Оливии были похищены у Натаниэля. Безумие овладело юношей, и он попал в сумасшедший дом.
Из-за начавшегося скандала Спаланцини покинул университет. Натаниэль выздоровел и вернулся к Кларе. Вскоре семья Натаниэля получила хорошее наследство, и влюблённые решили сыграть свадьбу.
Прогуливаясь однажды по городу, Натаниель и Клара решили подняться на высокую башню ратуши. Осматривая сверху окрестности, Клара указала жениху на что-то мелкое, тот вынул подзорную трубу Копполы, взглянул в неё, и его снова охватило безумие.
Натаниэль попытался сбросить Клару вниз, но та успела схватиться за перила. Лотар, ожидающий возле ратуши, услышал крики, бросился на помощь и успел спасти сестру. На площади тем временем собралась толпа, в которой безумный Натаниэль заметил Коппелиуса, только что вернувшегося в город. Дико закричав, юноша прыгнул вниз и размозжил голову о мостовую, а адвокат снова исчез.
Клара переехала в отдалённую местность, вышла замуж, родила двух сыновей и обрела семейное счастье, «которого никогда не смог бы дать ей Натанаэль с его вечным душевным разладом».