El relato narra la vida de un estudiante, Nathanaël, quien está traumatizado por la muerte de su padre, ocurrida durante su infancia. A pesar de estar comprometido, se enamora de una autómata, Olimpia, construida por Spalanzani y un cómplice. Nathanael cree que ésta es real. El descubrimiento del truco lo lleva a la locura, y finalmente a la muerte.
El cuento es narrado por alguien que dice haber conocido a Nathanael. Comienza con tres cartas:
1. Carta de Nathanael a Lotario
Nathanael recuerda su terror infantil del legendario hombre de arena. Cree que este hombre, según los cuentos de su madre, arrancaba los ojos de los niños, echándoles arena hasta sangrar, y luego se los llevaba como alimento a sus hijos. Más tarde, Nathanael descubre que el hombre de arena resultó ser Coppelius, un ser demoníaco que lo perseguirá toda su vida de forma psicótica. Este último fue quien, según Nathanael, mató a su padre.
2. Carta de Clara a Nathanael
Esta carta explica que Nathanael le había enviado la anterior carta a ella, mas no a Lotario. Se trata de una visión realista de lo que antes había sucedido en forma fantástica. Clara es la mirada racional de las cosas. Por eso su nombre alude a la claridad de la razón, frente a los mitos infantiles. Clara, prometida de Nathanael, le demuestra que Coppelius no es el hombre de arena, ni que tampoco él habría matado a su padre, sino que este habría muerto por un accidente en un experimento de alquimia.
3. Carta de Nathanael a Lotario
En ella, Nathanael declara que al fin de cuentas Coppola no es Coppelius: Coppola es claramente italiano, mientras que Coppelius había sido alemán, y Coppola está también custodiado por el nuevo profesor de física Spalanzani, quien también es italiano y ha conocido a Coppola por muchos años.
Después del intercambio epistolar, Nathanael regresa a su ciudad para visitar a Clara, Lotario y su madre. En el lugar, la relación entre Nathanael y Clara se ve afectada por la intensidad con la que Nathanael trata el tema que le aqueja desde su niñez; escribe cuentos y poemas sobre Coppelius, y Clara le responde razonablemente para calmarlo, sin éxito. Después de una pelea entre Nathanael y Lotario, los tres se reconcilian, y Nathanael parte de nuevo a la otra ciudad, para recibir las clases del profesor Spalanzani.
Ya en la ciudad, Nathanael se encuentra con Coppola, quien le vende unos binoculares que usa para ver a Olimpia, la hija de Spalanzani, a través de la ventana. Luego de que el profesor organizara una fiesta en su casa, Nathanael y Olimpia pasaban tiempo juntos, y él seguía escribiendo cuentos y pensando en su nueva amada. Un día, los gritos de unas personas en la casa del profesor llamaron la atención de Nathanael, que no dudó en subir y descubrir, para su desgracia, que Olimpia no era más que una muñeca. Nathanael se enfurece y ataca a Spalanzani. Después de un tiempo, Nathanael se despierta rodeado de su familia y su mejor amigo, Segismundo, libre de todo mal. Con su vida aparentemente resuelta y sin pensar ya en Coppelius, lleva a Clara a la cima de una torre, en la que finalmente enloquece por completo.
