Memorias del subsuelo se divide en dos partes. La primera nos presenta la psicología y las ideas del protagonista, un hombre amargado que vive en San Petersburgo en la década de 1860, y que se contradice de forma constante.
En primer lugar, se diferencia de "los hombres de acción", aquellos que reflexionan poco, tienen convicciones y actúan en base a ellas. Él, en cambio, tiene una consciencia demasiado desarrollada como para adoptar algún tipo de carácter y regirse según convicciones: adscribe al más profundo determinismo y descree del libre albedrío, atribuyéndole a las leyes de la naturaleza la determinación de todas nuestras acciones.
El hombre del subsuelo desarrolla esta idea en una serie de ejemplos. Primero se refiere a la imposibilidad de venganza: reconociendo que todos actuamos según lo dispone nuestra naturaleza, el protagonista se manifiesta incapaz de llevar a cabo ningún tipo de venganza, porque esto significaría, en última instancia, atribuirle a las personas responsabilidad sobre sus actos, mientras que él reconoce que es la naturaleza la que determina cualquier acción. Luego, despliega sus ideas en el caso hipotético de un dolor de muelas: como las leyes de la naturaleza, un dolor de muelas es algo que nos causa dolor, pero sobre lo que no tenemos control. Si escuchamos los gemidos de un hombre culto con dolor de muelas, nos daremos cuenta de que solo está gimiendo por despecho, para molestarse a sí mismo y a los demás. La conciencia de la propia impotencia frente a las leyes de la naturaleza es humillante, por lo que nadie con conciencia puede respetarse a sí mismo.
El narrador pasa entonces a criticar a los idealistas que afirman que los seres humanos solo actúan en su perjuicio porque todavía no se han dado cuenta de qué es lo que les conviene. Es decir, si las personas fueran educadas respecto de sus verdaderos intereses y usaran la razón, harían siempre el bien. No obstante, el hombre del subsuelo encuentra claros contraejemplos en la historia, y acusa a estos idealistas utópicos de sostener teorías lógicas que no se fundamentan en la experiencia. Así, está seguro de que, si la ciencia descubriera todas las leyes de la naturaleza que determinan nuestro comportamiento, y se construyera una sociedad que satisficiera todas nuestras necesidades, el mundo sería muy racional y aburrido, y enseguida aparecería uno dispuesto a destruirlo, a pesar de todas sus ventajas. Lo que los seres humanos necesitan, asegura, no es un deseo racional, sino el propio deseo. Las teorías utópicas ignoran la necesidad humana de tomar decisiones independientes, basadas únicamente en los propios caprichos y el libre albedrío.
La razón por la que la sociedad racional de los utopistas no funcionaría, según el narrador, es que a los seres humanos les encanta crear, pero no necesariamente habitar lo creado; la vida consiste en buscar, esforzarse, crear, y una vez alcanzado el objetivo, es como morir un poco. Por eso es que a las personas les da miedo alcanzar sus objetivos.
Finalmente, el narrador nos cuenta que está nevando mucho, y eso le recuerda un episodio de su vida que tuvo lugar unos quince años atrás, y sobre el que desea escribir. Introduce así la segunda parte de la novela. Como contexto, el hombre del subsuelo se describe, en su juventud, como un hombre solitario que desprecia a sus colegas, sintiéndose superior a ellos.
Un día, aburrido, el hombre se acerca a una taberna y entra con la esperanza de verse envuelto en una pelea. No obstante, lo único que sucede es que un oficial, notándolo apenas, lo hace a un lado para pasar por donde él está parado. Humillado, el hombre del subsuelo lo persigue durante años con el objetivo de vengarse. Un día finalmente se decide: compra ropa para lucir más digno y, cuando se lo cruza en la calle, no le cede el paso, sino que camina directamente hacia él. Se siente vengado.
Otra vez, sintiéndose demasiado solo, decide visitar a un antiguo compañero de escuela a quien no ve hace más de un año: Símonov. Cuando llega, él y otros dos están organizando una cena de despedida para Zvierkov, otro compañero de la escuela, admirado por los demás. Aunque desprecia a todos ellos, el narrador se invita a sí mismo al banquete. Al día siguiente, llega una hora antes, pero los otros cambiaron el horario sin avisarle. Durante la cena, la conversación se tensa y el hombre del subsuelo, ebrio, insulta a Zvierkov y reta a duelo a otro de los invitados. El resto lo ignora, pero él se niega a irse. Cuando se dirigen a un burdel, él le ruega a Símonov que lo perdone y le preste dinero para poder unirse a ellos. Este se lo da, con desprecio. En el camino fantasea con lo que hará una vez allí, y llega dispuesto a abofetear a Zvierkov, desafiarlo a duelo, terminar en prisión. No obstante, cuando arriba ya no hay rastro de los otros.
En cambio, le asignan a Liza, una muchacha, y él se encierra en la habitación con ella. Dos horas después, incómodo, empieza a hablar con ella: le larga un largo discurso moralista explicándole por qué debería dejar ese trabajo esclavo y casarse. Le habla sobre la libertad, la familia y el amor. Cuando ella, finalmente, se deja permear por su discurso y se larga a llorar, el hombre del subsuelo se siente incómodo y se retira, no sin antes darle su dirección y pedirle que lo visite.
Los días siguientes, el narrador se arrepiente de lo que hizo y teme que la joven efectivamente lo visite. También le escribe una carta a Símonov, disculpándose por su conducta, atribuyéndosela al alcohol y restándole importancia. Unos días después, mientras está a punto de violentarse con su criado, aparece Liza. El hombre del subsuelo se desespera por la vergüenza que le causa que ella lo encuentre así, pobre y peleándose con su criado, tras haberse presentado ante ella como un héroe. Entonces le dice la verdad: que todo lo que le dijo aquella noche fue con el objetivo de humillarla y someterla, que él es un hombre abominable y vanidoso, y que la odia por haberlo visto así y por haber escuchado esa misma confesión. Al reconocerlo como un infeliz, ella lo abraza. Nuevamente incómodo, él le pide que se retire y, por pura maldad, le da cinco rublos antes de que lo haga. Ella deja el dinero sobre la mesa y se va.
Aunque al principio amaga ir a buscarla y pedirle perdón, el hombre del subsuelo reconoce que solo concibe el amor como tiranía y dominación, por lo que es mejor dejarla ir. Nunca más la vuelve a ver. Finalmente, reconoce que, como sus lectores, se ha desacostumbrado a vivir, y está cansado de habitar el subsuelo.
