Роман основан на автобиографических данных дворянина Петра Андреевича Гринева. Изначально он рассказывает о своей семье – отце, который «служил при графе Минихе и вышел в отставку премьер-майором в 17... году». После этого Андрей Петрович женился на дочери местного бедного дворянина – Авдотье Васильевне. Так они и жили в «симбирской деревне», где у них родилось девять детей.
К сожалению, все его братья и сестры «умерли во младенчестве». С рождения за Петром присматривал стремянной Савельич, который и выучил его грамоте, а также научил тому, чему сам был обучен – хорошо разбираться в породах собак. Чуть позже его стал обучать французскому, немецкому и «всем наукам» присланный француз Бопре. Через некоторое время новый учитель сам научился «болтать по-русски», а позже стал больше уделять времени пьянству, беспутству и пренебрегать своими обязанностями учителя. По этой причине он был изгнан.
В 17 лет отец отправляет Петра в Оренбург на службу, чтобы тот набрался опыта. Перед отъездом отец напутствовал сына «береги платье снову, а честь смолоду». Вместе с Петром поехал и его верный слуга и друг Савельич. На подъезде к новому месту они попали в буран. Благодаря случайному попутчику, встретившемуся на дороге, они выводят свою кибитку к умету. После того как они переждали ночь, в благодарность за помощь Гринев отдает свой тулуп и угощает стаканом вина. Провожатый его благодарит за столь нужный и приятный подарок.
Попав в Белогорскую крепость, Петр сильно удивляется тому, что там видит. Он ожидал попасть на настоящее поле боя, где всюду звучат звуки стрельбы, множество храбрых солдат защищают свои башни и валы. Гринев же видит перед собой деревню, которая окружена деревянным забором, инвалидов, не имеющих элементарных знаний и почти полное отсутствие действующих орудий (единственная пушка и та забита мусором).
Миронов Иван Кузьмич являлся в крепости комендантом. Несмотря на свою необразованность, он был человеком честным и добрым. Василиса Егоровна – жена коменданта – полностью управляла не только мужем, но и служебными делами, которые воспринимала как дела хозяйственные. Спустя некоторое время уже и сам Гринев становится для семьи Мироновых «родным». Сам же Петр тоже привязался к семейству. Кроме коменданта и его жены еще там жила их дочь – Маша. В ней он «нашел благоразумную и чувствительную девушку».
К такой спокойной и размеренной службе Гринев привык довольно быстро. Он увлекся чтением книг, начал писать стихи, упражняться в переводах. Изначально Петр быстро находит общий язык с поручиком Швабриным. Он единственный из крепости человек, который был близок ему по образованию, роду занятий и возрасту. Но их дружба продлилась недолго. Однажды Гринев пишет песенку, которую посвящает Маше Мироновой. Поручик жестко критикует не только произведение Петра, но и позволяет себе оскорблять Машу, ее нравы и обычаи. Гринев не выдерживает столь яростной критики и вызывает Швабрина на дуэль, в результате которой сам же и получает ранение.
Позже Гринев узнает от Маши причину такого поведения его недавнего друга Швабрина. Он сватался к ней, а девушка ему отказала. В этот же день Мария признается Петру: «Я не люблю Алексея Иваныча. Он очень мне противен».
За раненым Гриневым ухаживает Маша. Вскоре пара признается друг другу "в сердечной склонности", после чего Петр пишет письмо отцу с просьбой о благословении. Батюшка ему отказывает, потому что Маша бесприданница. Он Петру грозится перевести его из Белогорской крепости и категорически запрещает ему жениться.
Это событие делает жизнь Гринева бессмысленной. Он боится сойти с ума от безысходности или начать распутную жизнь. Но одно событие встряхнуло не только Петра, но и всю крепость в целом.
В октябре 1773 г. Иван Кузьмич получил секретное сообщение о том, что казак Емельян Пугачев выдает себя за «покойного императора Петра III». Его сторонниками стала относительно небольшая масса людей, с которой «произвел возмущение в яицких селениях и уже взял и разорил несколько крепостей». Кроме этого, в сообщении было предложено коменданту принять соответствующие меры, которые позволят отразить приближающийся удар со стороны Пугачева и его сторонников.
Спустя немного времени уже вся крепость говорила о донском казаке. Незадолго до появления самого противника был схвачен башкирец, которого не получилось допросить. У него был вырван язык.
Пугачев появился настолько неожиданно, что Мироновы даже не успевают отправить свою единственную дочь в Оренбург. Крепость была настолько слаба в обороне, что ее взяли без малейших усилий. Жителям ничего не остается, кроме как встретить мятежников со всеми почестями.
Несмотря на это не все жители были взяты в плен, среди которых оказались Гринев и комендант Миронов. Последний отказался присягать Пугачеву и его тут же казнят на виселице. В этот же миг под ударом сабли оказывается жена коменданта. Гринев тоже отказывается от присяги и ему также грозит смертная казнь.
По странному стечению обстоятельств Петра милуют. Его вспомнил глава мятежа. Ведь именно Петр подарил ему тулуп в благодарность за помощь во время бурана. Вечером того же дня сердечного друга Марии приглашают к казаку. Там ему предлагают еще раз стать сторонником Пугачева. На что он отвечает отказом, ведь он однажды присягал на верность императрице.
Этот поступок шокирует главу мятежа, и он отпускает Гринева. Петр тут же собирается и едет в Оренбург за подмогой. Он намерен не только обезвредить крепость от Пугачева, но и спасти Машу, которая серьезно заболела. Ее спасла ложь попадьи, которая сказала, что Мария ей приходится племянницей. Еще один момент, который не давал покоя Петру – это должность коменданта, на которую был назначен Швабрин. Он принял присягу на верность Пугачеву.
По прибытии в Оренбург Гринев получает отказ в помощи. Из города он не успевает вернуться в крепость – через пару дней город уже окружен мятежниками. Спустя некоторое время Петр получает письмо от Маши, в котором она говорит, что Швабрин ее принуждает выйти за него замуж. Если она откажет вновь, то он ее выдаст обосновавшимся у них в крепости сторонникам Пугачева. После этого он вновь обращается к коменданту Оренбурга за помощью, который вновь отказывает в ней.
Несмотря на всюду происходящие мятежи, Гринев и Савельич принимают решение выехать в Белогорскую крепость. По дороге туда они снова попадают в руки Пугачева. Последний как раз направлялся в крепость. По дороге между Гриневым и казаком выходит доверительный разговор, из которого Пугачев узнает, причину возвращения Петра. Глава мятежа обещает помочь Гриневу с Машей и освободить ее из плена.
По прибытии в крепость Пугачев выполняет свое обещание. Петр сразу же отравляет Машу в качестве невесты к своим родителям, а сам остается на поле битвы. Вскоре его арестовывают, и перед судом его оговаривает Швабрин, который утверждает, что Гринев был шпионом Пугачева и его специально отправили в Оренбург, чтобы разузнать обстановку. Петру грозит вечная ссылка в Сибирь, позор.
Но от всего этого его спасает Маша, которая приезжает к императрице «просить милостыню». На территории Царского села она встречает женщину, которой и рассказывает всю ситуацию. Женщина оказывается императрицей. Она помиловала Гринева, как в свое время избавил его от казни Пугачев.