Главный герой — Натаниэль — пишет другу, брату своей невесты, Лотару. В письме молодой человек рассказывает о страхе из детства - его пугали злым Песочным человеком, приходящем за детьми, которые не хотят идти спать. Решив увидеть Песочника, мальчик прячется. Песочным человеком оказывается хорошо знакомый старый адвокат Коппелиус, который частенько у них обедает! Незадолго до написания письма Натаниэль снова видится с Песочником - он живёт под личиной пьемонтского механика и называет себя Джузеппе Коппола. Автор письма хочет 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.
Во втором письме Натаниэль сообщает Лотару о своём преподавателе по физике Спаланцани и о его загадочной дочери Олимпии.
На время Натаниэль прерывает свои занятия науками и приезжает к невесте. Пробыв некоторое время дома, он вновь отправляется на учёбу. Приехав, он с удивлением обнаруживает, что его квартира сгорела. Молодой человек переезжает в дом, расположенный напротив жилища его преподавателя профессора Спаланцани.
Заметив в окне дочь профессора Олимпию, он начинает наблюдать за ней через подзорную трубу. А затем на балу у профессора знакомиться с ней и влюбляется в девушку до беспамятства, забыв о своей невесте. Его пытается образумить его лучший друг Зигмунд, но бесполезно. Оказавшись в доме профессора не в то время, он узнаёт тайну - Олимпия на самом деле не человек, а автомат, изобретённый профессором. Безумие овладевает Натаниэлем.
Натаниэль лечится в сумасшедшем доме. Выписавшись, он хочет тихой и спокойной жизни с Кларой, но одержимость Песочным человеком доводит его до самоубийства.