Роман описывает контакт с внеземной цивилизацией и показывает как глобальные проблемы современности, так и психологические проблемы отдельных людей. Значительную часть романа занимает проблема понимания, дополнительной темой проходит любовь.
Действие происходит в конце XX века. Радиоастроном, женщина, доктор наук Элеонор Эрроуэй, агностик, всю свою жизнь боровшаяся с предубеждениями против женщин, руководит программой поиска разумных сигналов из космоса на крупной радиообсерватории в Сокорро, штат Нью-Мексико. В некоторый момент аппаратура принимает сигнал от передатчиков, находящихся на орбите вокруг Веги. Он представляет собой последовательность простых чисел, которую сменяет выступление Адольфа Гитлера на открытии Олимпийских игр 1936 года — такой странный выбор объясняется тем, что это первая видеопередача, покинувшая ионосферу Земли. Сигнал от внеземных цивилизаций становится катализатором различных общественных, религиозных и политических процессов в мире. Основная тема при этом — объединение народов и государств вокруг совместной цели.
Принятый сигнал расшифровывают учёные всей Земли — передача оказывается набором чертежей и технологий для производства некоей Машины, который составляет 30 000 страниц текста. После сложных дебатов мировое сообщество начинает строительство двух Машин — в США и в СССР (в Узбекистане). Американское строительство разрушает взрыв (диверсия религиозных фанатиков). Советское — буксует из-за технологических трудностей. Энтузиазм спадает под напором финансовых и политических проблем.
Несколько мультимиллионеров финансируют постройку Машины в Японии, и это строительство завершается успешно. Пуск Машины символично назначен на последний день 1999 года. Экипаж Машины составляют пять учёных (астрофизик Василий Григорьевич Луначарский, потомок советского наркома; Абоннема Эда из Нигерии; Деви Сукхавати из Индии; Си Цяому из КНР и сама Элли). Машина с экипажем включается, и пятёрка учёных, пролетев по «кротовым норам» Вселенной, оказывается на «галактическом вокзале» неподалёку от центра Млечного Пути. Для землян смоделирован земной пейзаж, чтобы они могли отдохнуть и каждый мог встретить самого любимого человека своей жизни (кто-то из них давно умер, как, например, отец Элли). Так, в образах близких людей, к каждому землянину приходит представитель «пригласившей стороны», и такая встреча помогает людям раскрыться, а неземлянам — понять людей.
По возвращении команда Машины обнаруживает, что сутки их путешествия уложились в 20 минут земного времени, что их «полевые» видеозаписи и фотоснимки не сохранились, и правительственные чиновники никому из них не верят. Но каждый из учёных получил в путешествии новое понимание как законов природы, так и законов человеческих отношений. И теперь перед ними стоит задача доказать скептикам в правительствах, что они действительно побывали в других мирах, а не стали жертвами или участниками мистификации. Элли же, озадаченная проблемой, которая не под силу даже встретившимся ей высокоразвитым инопланетянам — а именно тем, что 0 и 1 в двоичной записи числа «пи» с определённой точки начинают складываться в установленном порядке, — приходит к выводу, что в этой последовательности заложено свидетельство существования творца Вселенной. К завершению строительства Машины сформировалась новая общественная концепция «Машиндо» (по аналогии с бусидо), и этот «кодекс мира» постепенно овладевает умами Земли.