O livro conta a história do Dr. Bacamarte, um alienista (a designação de psiquiatra na época), que cria a Casa Verde, um local para realizar estudos inéditos sobre a mente humana, mas acaba perdendo-se na sua própria loucura
Depois de conquistar respeito em sua carreira de médico na Europa e no Brasil, o Dr. Simão Bacamarte retorna à sua terra natal, a vila de Itaguaí, para dedicar-se ainda mais à sua profissão. Após um tempo na vila, casa-se com a já viúva D. Evarista, então por volta dos vinte e cinco anos e que não é nem bonita nem simpática. O médico escolhe-a por julgá-la capaz de gerar bons filhos, mas ela acaba não tendo nenhum.
Certo dia, o Dr. Bacamarte resolve dedicar-se aos estudos da psiquiatria e constrói, em Itaguaí, um manicômio chamado Casa Verde, para abrigar todos os loucos da cidade e região. Em pouco tempo o local fica cheio e ele vai ficando cada vez mais obcecado pelo trabalho. No começo os internos eram realmente casos de loucura e a internação aceita pela sociedade, mas em certo momento Dr. Bacamarte passou a enxergar loucura em todos e a internar pessoas que causavam espanto. A primeira delas foi o Costa, homem que perdeu toda sua herança emprestando dinheiro aos outros, mas não consegue cobrar de seus devedores. A partir daí diversas outras personagens serão internadas pelo alienista.
Enquanto essas internações vão se sucedendo e deixando a população de Itaguaí alarmada, D. Evarista encontra-se em uma viagem pelo Rio de Janeiro. Ela havia ficado muito deprimida pela pouca atenção que o marido lhe dava, quase voltando a sentir-se uma viúva novamente, e ganhara do Dr. Bacamarte uma viagem para conhecer o Rio. Todos na cidade viam na volta de D. Evarista a solução para as inesperadas internações feitas pelo alienista. Porém, mesmo após o retorno dela à vila, Dr. Bacamarte continuou agindo da mesma forma.
Com o tempo, o clima torna-se cada vez mais tenso na cidade e o barbeiro Porfírio, que há muito almejava ingressar na carreira política, resolve armar um protesto. Porém, quando se descobre que o alienista pediu para não receber mais dinheiro pelos internos, generaliza-se a crença de que as inúmeras reclusões não seriam movidas por interesses econômicos mesquinhos e o movimento se enfraquece. Porfírio, no entanto, movido por sua ambição de chegar ao poder, consegue armar a Revolta dos Canjicas (o barbeiro era conhecido por "Canjica"). A população dirige-se para a casa do Dr. Bacamarte para protestar, mas é recebida por ele com muita tranquilidade. Por um momento, a fúria do povo parece ter sido controlada, mas a população revolta-se novamente quando o alienista lhe dá as costas e volta a seus estudos.
É quando a força armada da cidade chega para tentar controlar a população. Porém, para a surpresa de todos, a polícia junta-se aos revoltosos, e Porfírio se vê em uma posição de poder, como líder de uma revolução. Resolve, então, dirigir-se até a Câmara dos Vereadores para destituí-la. Agora com plenos poderes, Porfírio chama o Dr. Bacamarte para uma reunião mas, em vez de despedi-lo, junta-se a ele e assim as internações continuam na cidade.
Dias depois, 50 apoiadores da Revolução dos Canjicas são internados. Outro barbeiro, o João Pina, levanta-se contra e arma uma confusão tão grande que Porfírio é deposto. Mas a história repete-se e o novo governo também não derruba a Casa Verde. Pelo contrário, fortalece-a. As internações continuam de forma acelerada e até D. Evarista é internada após passar uma noite sem dormir por não conseguir decidir que roupa usaria numa festa.
Por fim, 75% da população da cidade encontra-se internada na Casa Verde. O alienista, percebendo que estava errado, resolve libertar todos os internos e refazer sua teoria: se a maioria apresentava desvios de personalidade e não seguia um padrão, então louco era quem mantinha regularidade nas ações e possuía firmeza de caráter. Com base em sua nova teoria, o Dr. Bacamarte recomeça a internar as pessoas da cidade e o primeiro deles é o vereador Galvão, o único contrário à lei proposta pelos vereadores de que eles não poderiam ser recolhidos à Casa Verde. Assim, as internações continuam. Outras pessoas, porém, são consideradas curadas ao apresentarem algum desvio de caráter.
Após algum tempo, ele dá alta a todos os presentes na Casa Verde, depois de tratar o equilíbrio mental. Com isso ele desenvolve uma nova teoria: como ninguém tinha uma personalidade perfeita, exceto ele próprio, o alienista conclui ser ele o único anormal e decide trancar-se sozinho na Casa Verde, vindo a falecer poucos meses depois.
