“El hombre de la arena” comienza con un intercambio de cartas entre Nathanael; Clara, su prometida, y Lothar, hermano de ella. Nathanael, que está en otra ciudad debido a sus estudios universitarios, confiesa en su manuscrito un miedo que lo atormenta desde la infancia: el hombre de la arena, un siniestro ser que, según la leyenda, le roba los ojos a los niños por la noche. Nathanael está seguro de que, cuando era niño, este ser asumió la identidad de Coppelius, el abogado de la familia, quien terminó asesinando a su padre.
Ahora, Nathanael considera que el hombre de la arena ha vuelto a su vida bajo la identidad de un vendedor de barómetros llamado Coppola, con el objetivo de terminar con su malévolo plan. Clara y Lothar intentan convencerlo de que es una ilusión infantil y aunque Nathanael parece convencido por sus argumentos, cuando vuelve a casa su ánimo está visiblemente cambiado, ensombrecido y melancólico. Pasados unos días, tiene una violenta pelea con Clara como consecuencia de sus cambios de humor, pero luego se reconcilian y vuelve a la universidad.
De nuevo solo, Nathanael vuelve a encontrarse con Coppola, a quien le compra un catalejo. Con el objeto comienza a espiar a Olimpia, la misteriosa hija de uno de sus profesores, que vive frente a su casa. Nathanael se enamora de ella y consigue el favor de su padre para comenzar un noviazgo. La mujer parece extrañamente mecánica y sin vida, pero ello no parece importarle y se olvida rápidamente de Clara, su antiguo amor. Un día, Nathanael la visita para proponerle matrimonio y allí descubre que el padre de Olimpia y Coppola se encuentran en medio de una pelea por el cuerpo de la joven, que se trata, en realidad, de un autómata. Al advertir que ama a un ser sin vida, Nathanael enloquece.
Nathanael despierta en la casa de su familia luego de un periodo en el manicomio. La felicidad parece alcanzarlo nuevamente junto a su madre, su amada Clara y Lothar. Un día, Clara y él suben a un ayuntamiento para ver el paisaje montañoso desde la torre. Allí, Nathanael saca su catalejo para observar algo que le señala Clara, pero termina viéndola a ella a través del lente. La locura lo invade nuevamente al confundir a su amada con un autómata y, tras intentar arrojarla al vacío y fallar, se suicida él mismo saltando de la torre.
