四五十年前，科学家叶文洁在负责搜寻外星文明的秘密基地“红岸”，监测到了来自三体星打算侵略其他星球的信息。
被三颗恒星包围的三体行星，随时都面临着被恒星吞没的危险，于是它们孤注一掷，向外太空进发。
由于个人身世，导致对人类失去信心的叶文洁，把地球的坐标发送给了三体星，自此成为了一个带路党。 后来，离开了红岸基地的叶文洁认识了志同道合的伊文斯，把三体的秘密告诉了他。
他们二人集合了一群同样对人类失去信心的人，成立了反人类的“地球三体组织”。并喊出了那句口号：“消灭人类暴政，世界属于三体！”
经过了一番斗智斗勇，科学家汪淼（第一部主角）和警官大史，连同各国政府识破了三体组织的阴谋，逮捕了叶文洁。躲在“第二红岸基地”（一艘邮轮）的伊文斯威胁道，如果人类政府登船，就立刻销毁关于三体的所有绝密信息。
于是汪淼和大史则想出了，利用纳米材料，做成比发丝细、比钻石硬的5根“琴弦”，趁第二红岸基地通过运河时，把船员全部割成碎片，由于“琴弦”太细，所以船上电脑完好无损。
通过船上电脑资料，人类知道了三体人向地球发射了8颗以质子制成的检测器“智子”——地球上一切计策都在三体人的眼皮底下。
为了对付智子，联合国商议选出了4名“面壁者”，他们能够调用极大的资源，却不用作任何解释，为的就是要对能看到一切的智子和三体人进行战略欺骗。
4人中，其他3人都是杰出的政治家和科学家，唯独罗辑（第二部主角）是个普通的社会学教授，因为他是唯一一个三体星点名要杀的人。
分别介绍一下如下。
第一位面壁者，弗里德里克·泰勒，美国国防部部长。泰勒的主张简单说来就是恐怖袭击，组建新时代的敢死队，在敢死队接近三体舰队之时，命令地面部队用宏原子武器把这些敢死队炸死，使他们变为量子态，再由这些量子态的人去袭击三体舰队。
第二位面壁者，曼努尔·雷迪亚兹，委内瑞拉总统，主张用两亿吨级别的核弹埋入水星地层，一旦引爆，水星掉进太阳，引发太阳喷发，然后喷发的物质会让地球减速，地球将落入太阳，用同归于尽的方式威胁三体人。
第三位面壁者，比尔·希恩斯，地球上唯一一个两种不同类型的诺贝尔奖获得者。主张在人类大脑中植入思想钢印，给人类灌输胜利的信念，但其实他的真正意图是埋藏之下的绝对失败主义理念，让人类尽快逃离太阳系以避免与三体的正面接触。
第四位面壁者，罗辑，混吃等死的大学讲师。为什么他被选为面壁者，他自己也不知道，甚至整个人类世界都不清楚，大家只知道他是三体世界唯一一个想要杀死的人。
罗辑不明白自己为什么和那些顶尖的人一起被选为人类的希望，于是在大会上拒绝了面壁人的身份并离开，结果在刚出会场就遭到狙击，好在穿着防弹衣没有受伤。原来三体组织接受了三体人的命令暗杀罗辑，其他三人是联合国选出的，罗辑是三体人要暗杀的所以也被选为第四名面壁者严加保护。（三体人为什么要暗杀罗辑，这和墓前叶文洁对罗辑说的话有关系，叶文洁相当于把对抗三体人的至关重要的武器交给了罗辑，那么叶文洁为什么不站出来使用这个武器呢，第一是叶文洁作为三体运动的创始人，此时感到犹豫所以不再站队，第二 ，读过第三本书的读者看看程欣就明白了叶文洁就算倒戈地球人一方也不适合作为执剑人）此时的罗辑不知道自己该做什么拯救地球，又无法拒绝军方的保护躲开暗杀，于是干脆利用特权享受人生，买豪宅娶媳妇生孩纸，开始享受人生。
于是三体人根据人类的计划制定了三个效忠三体人的人类去破解面壁人的计划，这三人被称之为破壁人，唯有罗辑没有破壁人，（因为罗辑没有任何行动，三体人找不到合适的破壁人去破罗辑的壁)五年后泰勒的计划被揭穿，他表面上是想建立太空敢死队对抗三体人，其实这只部队装备了特殊武器“球形闪电”，被球形闪电打死的人类会变成幽灵态，开战前夕，泰勒会让这只部队偷袭人类大军，让全体大军变成量子态的幽灵部队提高百倍战斗力对抗三体人。但是破壁人告诉泰勒，量子态人类对三体人没有威胁，此计划不会成功。同时破壁人将泰勒的计划公之于众，群众无法接受这种自杀袭击的计划从而对泰勒群起攻之，泰勒绝望中饮弹自尽。
泰勒的死让联合国政府召开会议，会议中另外两名面壁人讲述了他们的计划进行状况并进入冬眠，以等待计算机技术满足他们的计划需要时，再醒来。联合国同时强制将罗辑的妻子和孩子冬眠，要求他必须为地球做点什么，罗辑失去了幸福的生活，暗自神伤的走在冰冷的湖面上，忽然冰面破碎他掉进了冰冷的湖水，在恍惚之际他终于明白了叶文洁跟他说的那些话是什么意思了。罗辑从湖里爬上去后，对自己说道“面壁者罗辑，我是你的破壁人！”至此三体人害怕的罗辑觉醒。
随即，罗辑开始制定称之为恒星诅咒的面壁计划，他选定了一颗太阳系外的恒星，并像叶文洁那样将这颗恒星的坐标向外太空发送了一个漂流瓶。就在恒星诅咒计划公开后不久，罗辑被三体组织的生化武器感染重病，他不得不接受冬眠直到医学发展到可以治愈再被唤醒。
八年后西恩斯拥有了可以制造思想钢印的超级计算机，思想钢印可以在人脑中输入任何信息并让这个人坚信不疑，比如让受印者脑中输入水是有毒的这个信息，那么受印者便不再喝水。西恩斯给一部分太空军队的领导人员打上了人类必胜的思想钢印，这些人其中就包括章北海。随后西恩斯和妻子进入冬眠等待时机成熟。
另一个面壁人雷迪亚兹的计划被揭穿，雷迪亚兹想造一百万颗恒星氢弹放在水星上，目的不是用其发动进攻，而是想用恒星氢弹的威力使水星减速、脱离轨道、坠入太阳，从引发的连锁反应使各大行星全部吸入太阳，整个太阳系将化作比三体星系更可怕的地狱，雷迪亚兹希望以此来要挟三体文明不要进犯（你再过来我就跟你同归于尽），但是破壁人指出地球的资源没法造出足以推动水星的恒星氢弹，此计划不会成功。破壁人将雷迪亚兹的计划公之于众，舆论再次哗然，群众接受不了这种同归于尽的计划，雷迪亚兹的面壁人身份被联合国终止并遭到通缉。在雷迪亚兹被抓捕之际，他撒谎说自己的手环与恒星氢弹有信号联系（摇篮系统），如果自己的心脏停止跳动，那么纽约市的核弹就会爆炸，从而成功逃脱了联合国的逮捕。这个谎言在他回国后被识破，而后雷迪亚兹被愤怒的群众乱石砸死。
罗辑冬眠后的20年，世界陷入经济危机和严重饥荒，原本80亿人口缩减为35亿，危机感使人类科技飞速进步。185年后罗辑苏醒，此时地球文明已经非常发达，政治格局分为“地球国际”和“太空国际”，太空国际拥有强大的军事力量，地球人面对即将到来的三体战争非常乐观。而后罗辑同苏醒后的其他成员参加了面壁计划会议，联合国由于拥有高强度的军事化力量所以打算终止历时205年的面壁计划，然而意想不到的事情发生了，西恩斯的妻子忽然承认自己是西恩斯的破壁人并揭穿了西恩斯的面壁计划：西恩斯修改了思想钢印的正负值，当初给军人印上的钢印并非”人类必胜“而是”人类必败“，西恩斯的计划是让这些被钢印的军队舍弃地球寻找新家园，如果与三体人的战争失败后可以给人类留下其他活路。与会者一片寂静。随后西恩斯的妻子自杀。
此时三体探测器已经进入太阳系，太空国际为显示人类力量派出所有的2015艘战舰拦截三体探测器，这其中就包括章北海作为执行舰长的”自然选择号“，章北海由于”人类必败“钢印下令战舰逃离战役向深远的太空前进寻找新家园。当太空国际发现叛逃行为时派出了四艘星际飞船对其进行追捕。这个小小的叛逃并不影响其他地球人的热情，他们都守在屏幕前准备为人类即将到来的胜利振臂高呼。83岁的丁仪（他是叶文洁女儿杨冬的丈夫）被选中作为第一个接触三体小型探测器的科学家，这枚探测器外表像一滴水一样光滑无比，于是大家将它称之为水滴。
丁仪博士用显微镜看水滴表面时发现，无论是放大百倍万倍水滴的表面还是光滑无比像镜面一样，这意味着该物体密度极其大，它可以轻易的横穿地球且本身不会有丝毫损伤。丁仪博士反应过来后对全部舰队大喊：“傻孩子们，快逃！”但是已经晚了，水滴用最原始的攻击方法撞击并袭击了所有的人类飞船，此次战役除了叛逃的自然选择号和追捕它的四艘飞船，历时50分钟2000艘飞船被摧毁只有两艘得以幸免。人类所有的希望被一颗小小的卡车那么大的探测器全部摧毁。消灭你，与你何干。
另一方面，当追捕自然选择号的四艘飞船发现水滴战役人类全军覆没后，他们停止了追捕并和自然选择号一同寻找新家园，然而随着时间的推移，他们发现燃料配件补给只够一艘飞船到达最近的补给地点，于是五艘战舰相互攻击，最后蓝色空间号摧毁了其他四艘飞船带着战利品飞向远方。宇宙的另一端幸存的两艘战舰也意识到这个问题，于是相互攻击，最后青铜时代号打败了另一艘取得胜利，驶向远方。
地球人在水滴战役后陷入深深的绝望。此时罗辑冬眠前的恒星诅咒忽然生效了，那颗指定的恒星被一颗光粒穿过爆炸了，所有人都相信罗辑是拯救地球的神，地球人又燃起来希望。罗辑私下向朋友解释为什么那颗恒星会爆炸，也就是黑暗森林法则，首先，宇宙总量是恒定的，但宇宙中有无数的外星生命都在以指数增长，所以宇宙是一个生存死局，不是你死就是我亡，在这种严格的竞争下，一方的收益必然意味着另一方的损失，双方不存在合作的可能，也就是说自己文明的未来就是建立在他人文明的痛苦之上，只有损人利己才能活下去，其结果就是一方吃掉另一方，所以每个文明都必须为了生存而战，再弱小的文明都可能技术爆炸，从人类的文明来看，我们从猿猴到现在，从宇宙的尺度就是一瞬间的事，这就导致文明彼此之间随着时间推移会不断出现猜疑，大家脑子里都在想他会不会来干掉我抢我资源。这种不断形成的猜疑链停止的方法只有一方死了才会结束，所以为了避免其他文明技术爆炸在以后跟自己争夺资源，最安全的方法就是发现一个文明后，能消灭的就直接消灭，打不过的就绕着走，罗辑把宇宙比喻成一座黑暗森林，每个文明都是带枪的猎人，像幽灵一般潜行爱林间，每个猎人都必须小心，因为只要他们暴露自己的位置就会被其他文明干掉，毕竟这是保证自己安全的最好手段。那颗坐标被发向宇宙的小行星被摧毁证实了罗辑的黑暗森林法则。而人类战队的相互攻击证明了猜疑链。
但是三体人也猜到了罗辑的想法，并利用水滴向太阳发射电波，这样太阳就不再能放大地球向外发射的信号，罗辑向宇宙发射三体星的坐标的目的，就不能实现，罗辑现在无计可施只能借酒消愁，政府给了罗辑一个闲职，也就是雪地工程，通过恒星氢弹和海王星的油膜物质制造太空尘埃，以便在其余九个水滴到达地球前可以提前观测到，这其实对于地球来说是没什么用的一项工作，罗辑把这当成逃避手段，地球人对罗辑的行为变得失望，罗辑失去了人们的信赖，也失去了面壁者的特权。
在一个雨夜，罗辑来到杨冬的墓前，拿起手枪对着自己的胸口高声喊出：”我要和三体人对话！“随后露出了手腕上的手表，他说：”这是一个检测我生命体征的摇篮系统，一端连接着罗辑的心脏另一端连接着两年来在太阳轨道上布置的3614枚核弹，如果心跳停止，核弹将被引爆，太阳将被油膜物质的星际尘埃包围，云层下的太阳将会时隐时现，不停闪耀，他将像一座灯塔在全宇宙标记出太阳系的位置。那么更高智慧的生命体就会像击穿那颗罗辑诅咒的恒星一样轻而易举的摧毁太阳系。也就是说罗辑从事雪地工程的工作表面上是逃避现实，其实是在进行面壁人的计划。
罗辑的方法奏效了，三体人表示妥协，并答应了罗辑的三个要求:1水滴停止对太阳发射电波。2另外九个水滴离开太阳系。3三体舰队立刻转向，从此不可进入太阳系。至此三体人进入流亡状态，罗辑拯救了全人类。