Юный волшебник Гарри Поттер, обучающийся в Школе чародейства и волшебства «Хогвартс», оканчивает первый курс и проводит летние каникулы в доме своих опекунов Дурслей — дяди Вернона и тёти Петуньи. Во время отдыха ему запрещено колдовать, но семейство Дурслей, ненавидящее всё волшебное, об этом не знает и боится мальчика. Дурсли поглощены крупной сделкой, которую дяде Вернону предстоит заключить вовремя сегодняшнего ужина с приглашённым на него клиентом. Во время этого мероприятия мальчику полагается сидеть тихо у себя в комнате и не выходить.
К Гарри в комнату является домовой эльф Добби, он хочет уберечь мальчика от заговора, который назревает в школе. Для того, чтобы осуществить свой план, домовик совершает волшебство в доме, где живёт Гарри. Практически сразу из Министерства Магии приходит письмо с предупреждением, что в случае повторного нарушения закона ему грозит исключение из школы. Заставив Гарри прочитать письмо, мистер Дурсль решает замуровать его в комнате с решётками на окнах, надеясь выбить из головы мальчика всё волшебство. Трое из братьев Уизли — близнецы Фред и Джорд и его школьный друг, однокурсник Рон — выручают Гарри из неволи и на меленьком летающем автомобиле своего отца привозят мальчика-волшебника к себе домой.
Перед началом учебного года все отправляются в Косой переулок. Гарри впервые пользуется новым для себя способом перемещения — Летучим порохом, и попадает в антикварный черномагический магазин в Лютном переулке. В этот момент в магазин вместе со своим отцом Люциусом заходит школьный недруг Поттера — Драко Малфой. Гарри прячется в чёрный шкаф, и сидит там пока неприятные посетители не покидают лавку. Мальчик спешит на улицу, где его находит Хагрид и показывает дорогу к Косому переулку. Здесь он находит семейство Уизли и встречается с подругой Гермионой.
Отправившись в книжный магазин приобрести учебники, они встречаются с популярным в волшебном мире писателем, описывающим собственные подвиги — Златопустом Локонсом. Он дарит Гарри все свои книги и сообщает, что в новом учебном году он будет преподавать в Хогвартсе защиту от Тёмных искусств. Артур Уизли и Люциус Малфой устраивают потасовку в магазине, но их разнимает Хагрид.
Каникулы заканчиваются, Гарри и его друзьям пора отправляться в «Хогвартс». На поезд «Хогвартс-Экспресс» попадают все, кроме Гарри и Рона, — их магический барьер не пропускает на платформу 9 3/4. Тогда мальчики отправляются в школу на летающем автомобиле мистера Уизли. В конце пути заколдованный автомобиль глохнет и врезается в Гремучую иву — дерево, обладающее скверным и драчливым характером. При аварии у Рона ломается волшебная палочка. Получив изрядное количество ударов ветвями, автомобиль сам по себе заводится и отъезжает на безопасное расстояние, после чего вышвыривает незадачливых путешественников вместе с вещами из салона и скрывается в чаще Запретного леса.
Друзья направляются в школу, но по пути им попадается нелюбимый преподаватель, профессор Северус Снегг. Он отводит мальчиков к себе в кабинет, где сообщает, что они нарушили закон и теперь должны быть наказаны. Для этой цели он зовёт декана факультета Гриффиндор, Минерву МакГонагалл. Ученикам объявляют последнее предупреждение, следующее нарушение уже грозит отчислением.
В первый выходной рано утром второкурсников будит капитан сборной Гриффиндора по квиддичу. Он планирует начать тренироваться раньше других команд и выиграть школьный кубок. Однако к полноценной тренировке приступить не удаётся: на поле появляется сборная Слизерина, чтобы опробовать нового ловца — Драко Малфоя, отец которого сделал всей команде щедрый подарок — новейшие метлы модели «Нимбус-2001».
Начинается словесная перепалка. Драко обзывает Гермиону «грязнокровкой» — гнуснейшим ругательством в волшебном мире. Рональд пытается наслать на слизеринца проклятие, но сломанная палочка отправляет заклятие в своего владельца, и мальчик начинает отрыгивать слизней.
Отбывающий наказание Гарри, которого заставили помогать Локонсу отвечать на письма поклонников, внезапно слышит странный страшный голос: «Иди… иди ко мне… дай мне схватить тебя… разорвать… убить…». Однако профессор Локонс ничего не слышит. Он думает, что Гарри задремал, и отпускает его.
Накануне Хэллоуина, возвращаясь с тренировки, Гарри встречается с привидением башни Гриффиндор, Почти Безголовым Ником, который приглашает мальчика вместе с друзьями на свой Юбилей смерти. Тридцать первого октября друзья выполняют обещание и отправляются в Подземный зал, где Гермиона знакомит Гарри и Рона с очень обидчивым привидением из женского туалета — Плаксой Миртл.
Покинув праздник, друзья отправляются в Большой зал, но по дороге Гарри опять слышит тот самый пугающий голос. Троица преследует голос, который слышит только Гарри, и прибегает на третий этаж, где находят оцепеневшую миссис Норрис — кошку школьного завхоза Аргуса Филча, а рядом на стене надпись: «Тайная комната снова открыта. Трепещите, враги наследника!».
Друзей замечают на месте преступления, но Дамблдор опровергает версию завхоза о том, что Гарри причастен к этому нападению — ведь ученику второго курса такое не под силу. Кошку выведут из оцепенения, когда поспеют мандрагоры в школьных теплицах, из которых можно приготовит целительное снадобье.
На уроке истории магии преподаватель рассказывает легенду о Тайной комнате и неком чудовище, заточённом в ней. Легенда гласит, что открыть Тайную комнату и освободить монстра может только истинный наследник Слизерина. Друзья предполагают, что, возможно, наследником Слизерина является злейший враг Гарри — Драко Малфой. Для того чтобы точно это выяснить, Гермиона предлагает проникнуть в Общую гостиную Слизерина спросить у самого Малфоя. Для этого девочка берётся приготовить Оборотное зелье, которое позволяет принимать облик другого человека.
В субботнее утро проходит первый матч по квиддичу между сборными Гриффиндора и Слизерина. На матче Гарри преследует бладжер, пытаясь сбить игрока с метлы. По правилам, бладжеры не гоняются за одним игроком, а выбивают как можно больше игроков. Заколдованный мяч ломает Гарри руку, но несмотря на это он ловит маленький золотой снитч и приносит победу своей команде.
Приземлившись, Гарри теряет сознание, а очнувшись видит профессора Локонса. Несмотря на протесты пострадавшего, профессор решает помочь Гарри и применяет заклинание, но вместо того, чтобы излечить перелом, он просто убирает из руки все кости, что вызывает ярость школьной медсестры. Теперь Гарри предстоит провести ночь в больничном крыле, выращивая новые кости.
Ночью мальчика посещает Добби. Выясняется, что это он заколдовал магический барьер на вокзале, в надежде, что Гарри Поттер передумает ехать в школу и вернётся домой. Заговорённый мяч, сломавший Гарри руку, — тоже его рук дело. Добби думал, что если мальчик покалечиться, то вернётся домой.
От домовика Гарри узнаёт, что такое поведение домового эльфа связанно с открытием Тайной комнаты. Добби и Гарри прерывают разговор, так как в лазарете появляются преподаватели. Прикинувшись спящим, мальчик слышит о новом нападении, жертвой которого стал первокурсник с факультета Гриффиндор, Колин Криви, в свободное время неустанно фотографирующий своего кумира — Гарри Поттера. За ночь у мальчика вырастаю новые кости, и Гарри выписывают из больничного крыла.
Перед рождественскими каникулами в школе открывается дуэльный клуб, вести который вызввается профессор Локонс, а ассистентом выступает профессор Снегг. Они устраивают показательный поединок, на котором Снегг разоружает Локонса заклинанием «Экспелиармус». Далее Златопуст Локонс решает перейти к практической части — учеников делят на пары, но первая попытка провести дуэль оказывается неудачной.
Тогда Локонс предлагает выбрать двух добровольцев. Снегг предлагает Поттера и Малфоя и что-то шепчет на ухо Драко. Сначала из его палочки вылетает длинная чёрная змея. Локонс пытается убрать её, но она лишь переключается на студента с факультета Пуффендуй — Джастина Финч-Флетчли. Гарри отдаёт змее приказ: «Убирайся». Змея успокаивается, но вместо благодарности от Джастина мальчик видит взгляд, полный ужаса и неприязни. От своих друзей Гарри узнаёт, что в волшебном мире способность говорить со змеями — признак чёрного мага.
Утром, переживая, что не поговорил и не объяснился с Джастином, Гарри отправляется на его поиски. Случайно Гарри подслушивает разговор пуффендуйцев — они считают, что Гарри Поттер и есть наследник Слизерина.
Гарри обнаруживает обездвиженных Джастина Финч-Флетчли и Почти Безголового Ника. Мальчик хочет убежать, но появившийся полтергейст Пивз начинает голосить, и на шум сбегаются люди. Отправив пострадавших в больничное крыло, профессор МакГонагалл ведёт Гарри в кабинет Дамблдора.
В рождественское утро оборотное зелье готово. Добавив последние ингредиенты, друзья принимают зелье, после чего переодеваются в заранее подготовленную одежду. Гермиона по непонятной причине отказывается выходить из своей кабинки, и в гостиную Слизерина Гарри с Роном отправляются вдвоём. Они говорят с Малфоем, но он тоже не знает, кто является наследником Слизерина. Друзья возвращаются в туалет Плаксы Миртл рассказать Гермионе о том, что они выяснили, но девочке не до этого. По досадной ошибке Гермиона кинула в зелье не человечески волос, а кошачий, и теперь не может вернуть себе человеческий облик.
Гермиона проводит в больничном крыле несколько недель. Возвращаясь от неё, Гарри и Рон слышат ругательства Филча по поводу разлитой воды, и заглядывают в туалет Плаксы Миртл, где и начался потоп. Там мальчики находят дневник Тома Реддла, в котором нет ни одной записи. Чуть позднее Гарри обнаруживает странное свойство дневника — чернила исчезают с его страниц.
Вечером Гарри начинает писать в дневнике и таким образом выходит на связь с предыдущим владельцем. Том Реддл показывает Гарри своё воспоминание об ускользнувшем чудовище и о том, как он разоблачает наследника Слизерина — им оказывается Хагрид, впоследствии исключённый за эту историю. Как-то вечером кто-то проникает в комнату второго курса, устраивает там беспорядок, обыскивает вещи Гарри и похищает дневник Тома Реддла.
Перед матчем по квиддичу Гарри снова слышит непонятный голос. Гермиона, озарённая догадкой, убегает в библиотеку. Перед самым началом матча появляется профессор МакГонагалл и сообщает о его отмене. Забрав с собой Гарри и Рона профессор отводит их в больничное крыло, где лежат жертвы нового нападения — Гермиона Грейнджер и девушка из Когтеврана. Их нашли у библиотеки, а рядом с ними — маленькое зеркальце. Ни Гарри, ни Рон даже не догадываются, что это может означать.
В школе вводятся повышенные меры безопасности, и Гарри приходит к выводу, что пришло время воспользоваться мантией-невидимкой, наведаться к Хагриду и выведать информацию о Тайной комнате. Поздно вечером, когда другие ученики засыпают, Гарри и Рон идут к Хагриду. Их впускает нервничающий великан, но поговорить им не удаётся. — раздаётся стук в дверь.
Мальчики прячутся под мантию, а Хагрид впускает гостей — директора школы Альбуса Дщамблдора и министра магии Корнелиуса Фаджа. Через некоторое время появляется Люциус Малфой — он требует отставки Дамлдора. Хагрида арестовывают и забирают в Азкабан. Перед тем как уйти Хагрид говорит фразу, обращённую вроде бы в никуда, но на самом деле она предназначается для невидимых Гарри и Рона — он советует следовать за пауками.
Проследив за убегающими пауками, друзья совершают вылазку в Запретный лес. На них нападает гигантский паук и несёт их в паучье логово к своему родителю и вожаку — Арагогу. В разговоре с ним выясняется, что это не он монстр из Тайной комнаты. Хагрид был обвинён и арестован зря, а чудище из Тайной комнаты является злейшим врагом пауков, они боятся его до такой степени, что никогда не произносят его имени. Пауки не хотят отпускать мальчиков, намереваясь полакомиться ими, но их спасает внезапно появившийся одичавший автомобиль.
Поздно вечером обдумывая рассказ Арагога об убийстве девушки, случившемся полвека назад. Гарри в голову приходит мысль — а что, если эта девушка, точнее её привидение, по-прежнему живёт там, где её убили, то есть в женском туалете. Тогда это… Плакса Миртл. Но поговорить с ней об этом не так-то просто — преподаватели после нападений постоянно прочёсывают школу и ни на минуту не оставляют студентов без присмотра.
За три дня до экзаменов созревают мандрагоры. Уже к вечеру все пострадавшие вернутся к нормальной жизни. Гарри и Рон отправляются к Плаксе Миртл, но их замечает профессор МакГонаггал. Ребята делают вид, что направляются в больничное крыло — навестить Гермиону, и растроганная профессор позволяет им это сделать.
Сидя возле Гермионы, Гарри замечает небольшой клочок бумаге, зажатый в правой руке девочки. Это страница, вырванная из книги. Мальчики узнают, что изображённое на ней чудовище — василиск, а написанное Гермионой на полях слово «трубы» объясняет, как оно передвигается по замку. Гарри и Рон догадываются, что вход в Тайную комнату находится в туалете Плаксы Миртл.
Друзья решают сообщить всё профессору МакГоннагал и бегут в учительскую. Внезапно они слышат приказ профессора всем ученикам немедленно вернуться в свои спальни, а преподавателям собраться в учительской. Спрятавшись, мальчишки слушают разговор преподавателей. Совершенно ещё одно нападение — монстр напал на Джинни Уизли и, на этот раз, утащил ребёнка в Тайную комнату. Профессор готовится закрыть школу, а учеников отправить по домам.
Собрание прерывает Локонс, уже порядком надоевший своим хвастовством всем преподавателям. Ему дают поручение — отправиться в Тайную комнату и сразиться с монстром. Преподаватели и не надеются, что он справиться — лишь бы не мешался под ногами.
Вечером Гарри и Рон приходят к Локонсу в кабинет, надеясь, что собранная ими информация поможет Златопусту победить василиска, и обнаруживают, что тот готовится к бегству. Выясняется, что профессор никогда не совершал описанных им подвигов, а просто присваивал их себе, заставляя настоящих героев всё забыть с помощью заклинания забвения.
Он пытается наслать заклятие на Гарри и Рона, но Поттер обезоруживает профессора и заставляет его идти вместе с ними в туалет Плаксы Миртл, где ребята находят трубу ведущую в Тайную комнату. Первым в трубу заставляют спуститься Локонса, за ним следуют Гарри и Рон. Они долго катятся по трубе и оказываются глубоко под школой, где обнаруживают сброшенную василиском кожу.
Локонс нападает на Рона и забирает у него палочку, пытается произнести заклинание, но сломанная палочка рикошетом направляет волшебство в него самого. Каменный свод обваливается, груда камней разделяет Гарри и Рона с Локонсом. Гарри отправляется искать Джинни, а Рон начинает разбирать завал.
Гарри находит Джинни без чувств, тут же он видит Тома Реддла, точнее его фантом, появившийся из дневника. Он говорит, что жизнь девочки подошла к концу. Открывается страшная правда: Том посредством дневника оказывал воздействие на Джинни. Зомбированная девочка отрыла вход в Тайную комнату и устроила обыск в вещах Гарри.
Гарри понимает, что Том Реддл не кто иной как лорд Волан-де-Морт, тем самым Тёмным волшебником, что убил родителей мальчика. Юный волшебник выхватывает волшебную палочку. На подмогу Гарри прилетает феникс Дамблдора и приносит волшебную шляпу. Том призывает василиска, чтобы покончить с Гарри, но Феникс лишает змея смертоносного взгляда, выклевав ему глаза. Гарри просит помощи у волшебной шляпы и вытаскивает из неё меч.
Гарри убивает василиска, вонзив меч ему в нёбо, но и сам мальчик ранен — царапина, которую оставил василиск на его плече, наполнилась ядом змея. От неминуемой смерти Гарри спасает феникс — он проливает на рану Гарри слёзы, которые обладают целительной силой.
Гарри выдёргивает из раны клык василиска и вонзает его в дневник — воспоминание Тома Реддла исчезает, а Джинни приходит в себя. Гарри и Джини возвращаются к Рону и узнают, что Локонс полностью потерял память.
Феникс, способный переносить огромные грузы, поднимает всех четверых наверх и приводит к кабинету профессора МакГоннагал, где кроме неё и Дамблдора находятся мистер и миссис Уизли. Гарри рассказывает обо всех пережитых приключениях. Джинни отправляют в больничное крыло. За особые заслуги перед школой Гарри и Рон получают награды и по двести призовых очков. Рон по поручению Дамблдора отводит Локонса в лазарет.
Обеспокоенный Гарри выясняет, что он истинный гриффиндорец, так как меч, который он достал из шляпы, принадлежал Годрику Гриффиндору.
Появляется взбешённый Люциус Малфой вместе с Добби. Они недовольны тем, что Дамблдор вернулся в школу, но выясняется, что попечительский совет узнал, что совершенно ещё одно нападение, и попросил Дамблдора вернуться. Жестами Добби даёт Гарри понять, что именно Люциус Малфой подсунул ему дневник Джинни Уизли во время посещения книжного магазина. Люциус удаляется.
Гарри освобождает Добби и напоследок берёт с домовика обещание больше не спасать ему жизнь.
Празднование длится всю ночь — монстра больше не будет, экзамены отменены, Локонс больше не преподаёт, а Гриффиндор побеждает, завоевав Кубок школы.