Attiré par la mer et le large, Ismaël, le narrateur, décide de partir à la chasse à la baleine. Il embarque sur le Péquod, baleinier avec son nouvel ami Queequeg commandé par le capitaine Achab. Ismaël se rend vite compte que le bateau ne chasse pas uniquement pour alimenter le marché de la baleine. Achab recherche Moby Dick, un cachalot blanc particulièrement féroce et d'une taille impressionnante, qui lui a arraché une jambe par le passé. Achab emmène son équipage dans un voyage autour du monde à la poursuite du cachalot dont il a juré de se venger. Le Péquod finira par sombrer au large des îles Gilbert en laissant Ismaël seul survivant, flottant sur un cercueil.
Le roman est loin de se réduire à son aspect fictionnel : de nombreux chapitres sont consacrés à décrire minutieusement la technique de la chasse à la baleine ainsi qu'à s'interroger sur la nature (réelle ou symbolique) des cétacés, et peuvent se lire comme une seconde traque, spéculative et métaphysique.