立派な大人の肉体をもっていながら、精神はまったく子供というチャーリー（クリフ・ロバートソン）は、パン屋の雑用をし、せまい下宿部屋に住んでいた。その彼にとって一番の楽しみは、公園で子供たちと遊んだり、観光バスに乗ることだった。そんな彼を、夜学の先生アリス（クレア・ブルーム）は、友人の精神科医アンナ博士やリチャード博士に診断を依頼した。ある日、チャーリーは、白ネズミのアルジャーノンと知能パズルゲームをしたが負けてしまった。それから何度も挑戦したが、彼はいつも負かされた。アリスの助言で、チャーリーは脳手術を行った。手術後、再び彼はアルジャーノンと知能パズルゲームをしたが、結果は同じだった。が、それから数日後、チャーリーは自分の頭脳が以前より成長しているのを悟った。ある夜、チャーリーはプレゼントを持ってアリスのアパートを訪れ、不器用に愛情を示そうとした。驚いたアリスはチャーリーをののしり、彼の純粋な心は乱れた。が、数日後、2人は仲直りし、愛し合うようになった。何ヵ月か経ち、一人前の立派な大人になったチャーリーは自分の病状経過を公開するため医師会の会合に出席した。そこで、以前の自分のテスト・フィルムを見たチャーリーは、自分はただのモルモットでしかなかったのではないかという感情をいだいた。さらに、アルジャーノンの死が、彼を悲しみと恐怖の底につき落とした。人並み以上に頭脳が発達することが、そんなに素晴らしいことか。自分のしている実験は本当に価値があり、世の役に立っているのか。チャーリーは疑問を持った。そして今、自分がいる社会には、以前持っていたハートがないことを感じとった。心配するアリスの手を振り、チャーリーは昔の素朴で自由な生活に戻る決心をした。その後公園には、子供たちと楽しそうに遊ぶ幸せそうなチャーリーの姿がみられた。