Tras el primer curso de Harry en Hogwarts, este regresa al hogar de sus tíos Vernon y Petunia Dursley para pasar el verano allí. Un día, en la habitación de Harry aparece un ser conocido como «elfo doméstico» llamado Dobby, quien le advierte que no debe asistir a su segundo curso del colegio puesto que «estará en peligro mortal»; sin embargo, Harry hace caso omiso a las palabras del elfo. Después de esto, Ron Weasley, y sus hermanos Fred y George llegan a su casa en un coche volador, escapando con Harry.
Poco después del comienzo en su segundo año en Hogwarts, Harry empieza a escuchar unas voces en las paredes del castillo que solo él es capaz de oír y aparecen mensajes en las paredes de los pasillos que revelan que la mítica Cámara de los secretos se ha abierto de nuevo y que el «heredero de Slytherin» matará a todos los alumnos cuyos padres no tengan sangre mágica —entre ellos, Hermione—. Después de esto, varios habitantes de la escuela son encontrados petrificados en los pasillos. Mientras tanto, Harry, Ron, y Hermione descubren a Myrtle la llorona, el fantasma de una chica que fue asesinada la última ocasión en que la Cámara se abrió, y cuya guarida es el inodoro del baño de mujeres donde ella murió. Myrtle le muestra a Harry un diario que lleva el nombre de «Tom Marvolo Riddle». A pesar de que sus páginas estaban en blanco, responde cuando Harry escribe en él. Finalmente el libro le muestra los hechos sucedidos en Hogwarts cincuenta años antes, cuando la Cámara de los Secretos se abrió; ahí observa a Tom Riddle, un alumno en aquel momento, culpando por abrir la Cámara a Rubeus Hagrid, quien entonces tenía trece años de edad y ya se había dedicado a cuidar peligrosas criaturas mágicas como mascotas.
Cuatro meses después, el diario es misteriosamente robado y, poco después, Hermione sufre la petrificación. No obstante, Harry y Ron descubren en su mano una nota con información sobre el basilisco, un monstruo en forma de serpiente cuya mirada mata a quienes lo miran directamente a los ojos, pero solo petrifica a quienes lo miran por medio de una superficie reflectante, como el agua o un espejo. Analizando los hechos y la información registrada, todo encaja. La razón por la que Harry era el único que podía escuchar las voces previas a los ataques es que él es capaz de hablar pársel, la lengua de las serpientes. Además, la serpiente es el emblema de Slytherin. En la nota, Hermione concluye que dicho monstruo viaja a través de las tuberías de la escuela. Mientras los ataques continúan, Cornelius Fudge, el Ministro de Magia, retiene a Hagrid y lo envía a la prisión de los magos como precaución. Lucius Malfoy, un antiguo partidario de Voldemort que afirma haberse reformado, anuncia que el consejo escolar ha suspendido a Dumbledore de su cargo de director.
En la novela, las lágrimas de un fénix contienen propiedades curativas.Después de que la hermana menor de Ron, Ginny, sea llevada a la Cámara, el personal de la escuela insiste en que el profesor de Defensa contra las Artes Oscuras, Gilderoy Lockhart, debe controlar la situación; sin embargo, cuando Harry y Ron entran a su oficina con el fin de decirle que han descubierto algo acerca del basilisco, Lockhart revela que es un fraude y que toma crédito por los triunfos de otros y amenaza con borrar la memoria de los chicos. Desarmando a Lockhart, lo dirigen hacia el baño de Myrtle la llorona, donde Harry descubre una entrada que se dirige a la Cámara secreta. En las alcantarillas de la escuela, Lockhart coge la varita mágica de Ron e intenta de nuevo borrar la memoria de los chicos, pero la varita de Ron había sido dañada en un accidente al comienzo del año escolar, por lo que el hechizo falla. Como resultado, Lockhart sufre una amnesia total, una parte del túnel es destruida y Harry queda separado de Ron y Lockhart.
Mientras Ron trata de hacer un túnel a través de los escombros, Harry entra a la Cámara secreta, donde Ginny se encuentra desmayada al lado del diario. Mientras Harry la examina, Tom Riddle aparece, con el mismo rostro y cuerpo que Harry había visto en el diario, y explica que es una memoria almacenada en el diario. Ginny escribió en él explicando sus esperanzas y miedos de adolescencia, y Riddle se ganó su confianza por aparentar ser simpático, poseyéndola y usándola para poder abrir la Cámara. Riddle revela también que es Voldemort de adolescente. Revela después que cuando Ginny descubrió que era la responsable de los ataques sucedidos en el colegio, trató de lanzar el diario en el baño, lo cual explica la manera en que entró en posesión de Harry. Riddle libera al basilisco para matar a Harry. La mascota de Dumbledore, el fénix Fawkes, lleva a Harry el Sombrero Seleccionador del que aparece una magnífica espada, perteneciente al fundador de la casa Gryffindor. Harry usa la espada para aniquilar a la criatura, poco después de haber sido mordido por los colmillos venenosos de la criatura, de los cuales uno se rompe; por ello, Fawkes cura al chico con sus lágrimas. Harry apuñala el diario con el colmillo roto y Riddle grita y desaparece. Después de que Ginny despierta, Fawkes lleva a los cuatro fuera del túnel.
Harry cuenta la historia completa a Dumbledore, quien ha vuelto a ocupar el cargo de director. Este revoca la amenaza de expulsar a los alumnos si no respetan las normas y les entrega premios especiales por sus servicios a la escuela. Cuando Harry menciona sus miedos, semejantes a los de Tom Riddle, Dumbledore le responde que Harry escogió la casa de Gryffindor y que solo un verdadero miembro de dicha casa pudo haber utilizado la espada de Godric Gryffindor para matar al basilisco. Lucius Malfoy se pone furioso y Harry le acusa de haber colocado el diario en uno de los libros de Ginny mientras todos los alumnos compraban sus libros escolares en el Callejón Diagon antes de comenzar el curso; Malfoy responde «Pruébalo». Finalmente, todas las víctimas de petrificación causada por el basilisco son revividas por una poción de mandrágora, cuya preparación tomó varios meses.
