Корреспондент находит мастерскую Лося в глубине захламлённого двора. Инженер, плотного телосложения, с густыми снежно-белыми волосами и юным лицом, показывает американцу летательный аппарат, напоминающий огромное стальное яйцо, и утверждает, что сможет добраться до Марса за девять или десять часов. Хотя корреспондент не намерен лететь на Марс, он предлагает Лосю хорошую сумму за путевые заметки. Инженер соглашается.

Лось не хочет отправляться в путешествие в одиночку. Он больше всего боится пролететь мимо Марса и умереть от голода в бескрайних просторах космоса. Вечером к Лосю приходит солдат Гусев, который увидел объявление, и соглашается лететь. Он женат, но бездетен, всю жизнь занимается войной и революцией. Теперь, в мирное время, Гусев не может оставаться на месте и готов отправиться куда угодно. На протяжении последних нескольких лет крупные радиостанции фиксируют непонятные сигналы. Лось уверен, что они исходят с Марса и что на планете существует разумная жизнь.

Ночью перед полётом Лось не может уснуть, вспоминая свою покойную жену, которую очень любил. Инженер стремится покинуть Землю из-за тоски по любимой женщине и надеется, что на Марсе ему станет легче. Гусев также прощается с женой. Женщина сильно любит мужа, но, зная его непоседливый характер, понимает, что долго удерживать его рядом не сможет. Ей остаётся лишь смириться с этим.

За отлётом наблюдает большая толпа. Покидая атмосферу Земли, путешественники теряют сознание и приходят в себя уже в космосе. Преодолев риск, минуя Луну, они приземляются на Марс и выходят из аппарата. Воздух на планете оказывается тонким и сухим, а в тёмно-синем небе светит «пылающее, косматое солнце». Аппарат располагается «на оранжево-апельсиновой плоской равнине», усыпанной высокими кактусами, которые оказываются живыми растениями. Вскоре становится ясно, что кактусы растут рядами — это целое поле.

Поблуждав среди кактусовых плантаций, путешественники возвращаются к аппарату и замечают краснолицего марсианина на летающем устройстве. Накричав на них за повреждённые кактусы, марсианин бросает им мешок с провизией и улетает.

После перекуса друзья снова начинают исследовать окрестности и натыкаются на руины домов. Гусев определяет, что строения были взорваны — здесь, похоже, произошла война. В одном из роскошных заброшенных жилищ Лось находит библиотеку поющих книг, а Гусев — экран, показывающий большой город. Однако увидеть город как следует не удаётся из-за короткого замыкания.

Ночь путешественники проводят возле своего аппарата-яйца. Утром их будит шум винтов — перед ними опускается летающий корабль, напоминающий галеру. С корабля, в сопровождении вооружённых воинов, спускается голуболицый марсианин в чёрных одеждах. Оставив охрану около «яйца», он отвозит путешественников за горный хребет, в богатую равнину под названием Азора, изобилующую огромными водоемами и каналами. В столице Азоры, большом городе Соацере, путников встречает изумлённая толпа во главе с чернобородым, сутулым марсианином.

Путешественников селят в поместье, окружённое рощей с лазоревой листвой. Несмотря на комфорт и изысканную еду, Гусев недоволен. Ему нужно «документик о присоединении Марса» к Советской Республике. Лось же считает, что с Марса они должны привезти мудрость этого мира. На следующий день после приезда путешественники знакомятся с хозяйкой поместья Аэлитой, дочерью чернобородого марсианина. Аэлита — нежная девушка с чуть удлинённым бело-голубым лицом и «огромными зрачками пепельных глаз». Она показывает гостям туманный шар, отражающий воспоминания. С помощью этого шара марсианка обучает землян своему языку.

За семь дней путешественники полностью осваивают марсианский язык. Аэлита рассказывает Лосю историю Марса. Двадцать тысячелетий назад планету населяла оранжевая раса Аолов. Однажды в одном из племён появился сын пастуха. Он распространял новое учение и говорил о пророчестве. Вскоре пророчество сына пастуха сбылось — на Марс прибыли сыновья неба. Это были Атланты. Они поработили часть марсиан, заставили их обрабатывать землю, строить хранилища для воды и рыть каналы. Остальные племена восстали против Атлантов, началась война. Марсиане снова вспомнили учение сына пастуха, ушли в горы, построили Священный Порог, под которым похоронили зло и очистились, пройдя через огонь. Атланты подавили сопротивление, но к Священному Порогу приблизиться не посмели. У детей неба не было женщин. Однажды к Порогу пришёл красивый Атлант и попросил отдать дочерей Аолов в жёны сыновьям Земли. От этого союза возникло голубое племя гор, и Марс начал процветать.

Гусев тем временем заводит роман со служанкой Ихой, весёлой, смугло-синеватой, полненькой девушкой. От неё Гусев узнаёт, что чернобородый марсианин Тускуб — глава Марса. Иха включает экран и показывает Гусеву народное гуляние, на котором толпа вдыхает наркотический дым. Переключив экран, Иха случайно показывает заседание правительства, и из выступления Тускуба Гусев понимает, что их хотят убить.

Аэлита рассказывает Лосю историю Атлантиды. Эта страна была покорена тысячами племён, которые растворялись в ней. После каждой войны Атлантида становилась всё более могущественной и богатой. Наконец наступила эпоха мира, Атланты овладели древней магией. Это Знание разделилось на два пути — белый и чёрный, и началась война. В это время был найден способ «мгновенно освобождать жизненную силу, дремлющую в семенах растений». Эта сила уничтожила Атлантиду, и спаслась лишь верхушка черного ордена, улетевшая на Марс в яйцеобразных аппаратах.

Научившись управлять экраном, Гусев исследует Соацеру. Опытным взглядом он замечает в столице первые признаки народных волнений — в Соацере назревала борьба между Тускубом и вождём рабочих, инженером Гором. Чтобы прекратить эту борьбу и предотвратить революцию, Тускуб решает разрушить город — гнездо порока, и дать миру «умереть спокойно и торжественно». Гор против, он надеется на помощь землян. Попытавшись задушить Верховного правителя, инженер скрывается. Гусев решает вмешаться в революцию и зовёт Лося с собой, но тот не хочет улетать, он влюблён в Аэлиту. Гусев отправляется один.

Тускуб намерен отравить путешественников. Он даёт дочери яд, чтобы та подлила его в пищу сыновей неба. Аэлита, тоже влюбленная в Лося, решает спасти его. На воздушной лодке она отвозит любимого в горы. По дороге Аэлита показывает Лосю каменный флакон с ядовитым зельем, прикрёпленным цепочкой к кольцу на её пальце. Аэлита приводит Лося в храм, расположенный вокруг Священного Порога. Там она совершает древний ритуал и становится женой Лося.

В полночь Лось возвращается в поместье Тускуба. Оно полно трупов. Один из умирающих передаёт инженеру записку от Гусева. Он осаждает Дом Совета и посылает за Лосем корабль. Выбежав из поместья, инженер сталкивается с людьми Тускуба, которые открывают по нему огонь. Солдаты боятся сына неба. Он подчиняет их себе и отправляется на военной лодке к Гусеву.

Тем временем Гусев возглавляет восстание. Рабочие верят, что сын неба спасёт их, и охотно ему подчиняются. Помощником Гусева становится инженер Гор. Захватив Арсенал и уничтожив эскадрилью военных кораблей, Гусев отправляется арестовать Тускуба, но тот вместе с верными инженерами и остатками армии успевает бежать через огромный подземный лабиринт, соединяющий почти все города Марса. Ранее залы лабиринта согревались внутренним жаром планеты, и марсиане проводили в нём зимы. Гор считает, что революцию они не выиграют — Тускуб вернётся и уничтожит их.

Ночью армия Тускуба окружает город. Гусев сопротивляется, но Тускуб разрушает Арсенал и уничтожает воздушный флот повстанцев. Несколько кораблей Главы Совета окружают Гусева. Вовремя подоспевший Лось вытаскивает товарища из свалки и уговаривает вернуться на Землю. Гор показывает им путь в лабиринт.

Проблуждав три часа в кромешной тьме и чуть не погибнув в колодце, полном огромных пауков, друзья выходят на поверхность близ усадьбы Тускуба. Там они встречают слугу Аэлиты, который отвозит их к Священному Порогу. Лось находит любимую и проводит с ней ночь. Он хочет забрать её на Землю, но не успевает — их находит Тускуб с отрядом солдат. Он приказывает схватить Аэлиту, а Лося избить и оставить умирать.

Гусев замечает взлетающий военный корабль, спешит на помощь Лосю и находит его без сознания. Он понимает, что нужно бежать, и летит к «яйцу». С трудом отыскав аппарат, Гусев обнаруживает, что марсиане пытаются его разрушить. Разогнав солдат, он запускает двигатель, и аппарат устремляется к Земле.

Гусев не может задать правильный курс, и они долго блуждают в пустоте. Лось приходит в сознание и осознаёт, что у него провалы в памяти. Ему кажется, что Марс и Аэлита — это лишь сон. Вскоре «яйцо» попадает в хвост кометы, которая направляет аппарат к Земле. Аппарат приземляется на берегу озера Мичиган. Для путешественников экспедиция заняла несколько месяцев, а на Земле прошло четыре года.

Лось и Гусев становятся знаменитыми. Инженер продаёт свои заметки американскому корреспонденту, но слава и деньги ему не нужны. Он вспоминает Аэлиту и тоскует по ней. Проходит полгода. Побывав в разных странах с рассказами о своих приключениях на Марсе, Гусев возвращается в Россию и основывает «Ограниченное Капиталом Акционерное Общество для Переброски Воинской Части на Планету Марс в Целях Спасения Остатков его Трудового Населения». Лось строит на петербургском заводе новый двигатель марсианского типа и живёт в одиночестве. Он вспоминает последние мгновения, проведённые с любимой. Тогда Аэлита успела выпить немного яда, а Лось допил остальное. Теперь ему становится ясно: Аэлита жива.

За Лосем приезжает Гусев. Он сообщает, что уже неделю радиостанции ловят неизвестные сигналы «чрезвычайной силы». Гусев везёт инженера на радиостанцию под Питером, и Лось слышит в слуховом шлеме далёкий голос Аэлиты, повторяющий: «Где ты?».

Алексей Николаевич Толстой - Аэлита