Действие романа начинается в декабре тысяча девятьсот сорок девятого года. Дипломат Иннокентий Володин узнаёт, что советский агент собирается получить в Нью-Йорке сведения о технологии атомной бомбы. Он решает предупредить американское посольство по телефону, хотя понимает, что такой звонок может его выдать. Разговор перехватывают сотрудники МГБ, но дежурный пропускает начало записи и не успевает определить номер автомата. Начинается поиск звонившего.
Главное место действия — Марфино, спецтюрьма, где заключённые учёные и инженеры работают над секретной телефонной связью для Сталина. Их условия лучше лагерных: есть книги, нормальная еда и возможность заниматься специальностью. Но свобода остаётся отнятой, рабочий день тянется, а за стенами лабораторий стоят охрана и надзор. Обитатели называют Марфино «первым кругом» ада: привилегии смягчают заключение, но не отменяют его.
В Акустической лаборатории математик Глеб Нержин и филолог Лев Рубин исследуют, можно ли узнавать человека по голосу. Их работа связана с расследованием телефонного звонка, но для Нержина важнее другой вопрос: как сохранить самостоятельность мысли, когда начальство требует подчинить знания государственной машине. Когда ему предлагают перейти в криптографическую группу, где обещают более лёгкий путь к освобождению, он отказывается. Он не хочет менять свою работу и использовать ум ради власти, которой не доверяет.
Рядом с ним работает Серафима Витальевна, молодая сотрудница МГБ. Её учили видеть в заключённых опасных преступников и доносить на них. Однако ежедневная работа меняет её отношение: в инженерах она замечает выдержку, знания и достоинство, а не внушённый ей образ врага. Между ней и Нержиным возникает близость. Для него это чувство осложняется предстоящей угрозой отправки в лагерь и невозможностью честно обещать ей совместное будущее.
Рубин, сам заключённый и убеждённый коммунист, пытается объяснять историю через веру в закономерность и будущее социализма. Нержин всё чаще сомневается в этой картине и ищет опору в личном опыте. Их споры о революции, счастье и вере показывают, как по-разному люди отвечают на страдание: один старается сохранить прежние убеждения, другой признаёт, что пережитое заставило его пересмотреть их.
Солженицын переносит действие и в кабинеты МГБ, и на дачу Сталина. Там чиновники обещают закончить секретную аппаратуру к установленным сверху срокам, хотя инженеры знают, что техническую задачу нельзя решить по приказу. Сталин, в свою очередь, живёт в мире, где каждое сомнение кажется ему заговором, а страх и недоверие становятся основой управления. Роман сводит в один узел работу учёных, поиски звонившего и решения людей, от которых зависит чужая судьба.
В доступной части романа напряжение растёт по мере того, как аппарат МГБ требует быстрых результатов и усиливает давление на заключённых. Вопрос о том, кто способен сохранить внутреннюю свободу внутри тюрьмы, проходит через судьбы Нержина, Рубина, Симочки и людей, распоряжающихся их жизнью. Их выборы остаются личными, но последствия каждого шага выходят далеко за пределы лаборатории.
