Повествование ведётся от имени американского моряка Измаила, ушедшего в рейс на китобойном судне «Пекод», капитан которого, Ахав, одержим идеей мести гигантскому белому киту, убийце китобоев, известному как Моби Дик (в предыдущем плавании он откусил Ахаву ногу, и с тех пор капитан использует протез).
Ахав приказывает постоянно наблюдать за морем и обещает золотой дублон тому, кто первым заметит Моби Дика. На корабле начинают происходить зловещие события — капитан Ахав окончательно лишается рассудка. Вдобавок, выпав из лодки во время охоты на китов и проведя ночь на бочке в открытом море, сходит с ума и юнга корабля, мальчик Пип.
Тем временем корабль совершает кругосветное плавание. Несколько раз «Пекод» и его шлюпки почти нагоняют Моби Дика, попутно собирая большую добычу из обычных китов.
В конце концов «Пекод» настигает Моби Дика. Погоня продолжается три дня, за это время три раза команда корабля пытаются загарпунить Моби Дика, но он каждый день разбивает вельботы. На второй день умирает Федалла, который предсказал Ахаву, что он уйдет перед ним. На третий день корабль дрейфует невдалеке. Ахав бьёт гарпуном Моби Дика, запутывается в лине и тонет. Моби Дик полностью уничтожает лодки и их экипаж, кроме Измаила. От удара Моби Дика тонет и сам корабль вместе со всеми, кто на нём оставался.
Но погибают не все: пустой гроб (который заранее себе приготовил один из китобоев — простодушный дикарь Квикег — затем переоборудованный в спасательный буй), как пробка, всплывает рядом с Измаилом, и тот, схватившись за него, остаётся в живых. Через некоторое время его подбирает проплывавшее мимо судно «Рахиль».
Роман содержит множество отступлений от сюжетной линии. Параллельно развитию фабулы автор приводит множество сведений, так или иначе связанных с китами и китобойным промыслом, что делает роман своего рода «китовой энциклопедией». С другой стороны, Мелвилл перемежает такие главы рассуждениями, имеющими под практическим смыслом второе, символическое или аллегорическое, значение. Кроме того, он часто подшучивает над читателем, под видом поучительных историй рассказывая полуфантастические.
