A szünidőt a Dursley családnál töltő Harryt meglátogatja Dobby, egy házimanó, aki figyelmezteti a fiút, hogy halálos veszélynek teszi ki magát, ha visszatér a Roxfort Boszorkány- és Varázslóképző Szakiskola falai közé szeptemberben. Harry ennek ellenére vissza szeretne menni az iskolába, noha a házimanó ezt megpróbálja megakadályozni azzal hogyaz ünnepi pudindot lebegésbűbáj alkalmazásával a földre borítja. A fiút Vernon bácsi és Petunia néni elzárják a külvilágtól, berácsozzák az ablakait. Azonban a Weasley testvérek, (Fred, George és Ron) kimenekítik a szorult helyzetéből apjuk repülő Fordjának segítségével.

Harry a Weasley család lakásában, az Odúban tölti a szünidő maradék részét, ám szeptember elején hopponálással az Abszol út egyik rossz hírű negyedébe téved. Miután Hagrid "kimenti" onnan, a Weasley családdal és Hermionéval folytatja útját, hogy iskolai dolgokat vegyenek. Egy boltban azonban megállnak, ugyanis a nagyképű, ám szívdöglesztő író, Gilderoy Lockhart tart könyvbemutatót. Azonban Draco Malfoy és apja, Lucius Malfoy is feltűnik a boltban, így feszült lesz a légkör a fiatalok között. Harry és Ron később lemarad a többi családtagtól, és lekésik a Roxfortba tartó vonatot. Végül a két barát a repülő Forddal jut el az iskolába, ahol a meghibásodott autó a fúriafűznek zuhan. A baleset következtében Ron pálcája eltörik, majd a ramaty állapotban lévő autó magától elindul, és eltűnik Tiltott Rengetegben.

Más gondok is akadnak: Perselus Piton és McGalagony majdnem kicsapja őket az iskolából, ugyanis az újság szerint több mugli is látta a repülő autójukat. Végül kegyelmet kapnak, így berendezkednek a Griffendél házban. Az évnyitói ünnepségen Dumbledore bejelenti, Lockhart lett az új Sötét Varázslatok Kivédése tanár. Az év elején rejtélyes módon kővé dermedve találnak Frics macskájára, Mrs. Norrisra, később pedig a Griffendél szellemére, Félig Fej Nélküli Nickre, majd a fényképezőgépébe szeretett elsősre, Colinra. Az első áldozat melletti falon egy vérrel írt felirat áll: "Feltárult a Titkok Kamrája! Reszkessetek, sárvérűek!". Harry többször is hall fenygető hangokat. McGalagony egy órán beszél a Titkok Kamrájáról: állítólag Mardekár Malazár utódja nyithatja csak ki ezt a Roxfortban elrejtett kamrát, ami ha megtörténik, több mugli származású tanuló is meghalhat.

A Griffendélesek megtudják, Draco Malfoy lett a Mardekár új kviddics-játékosa. Mikor Malfoy sárvérűnek (félig mugli) nevezi Hermionét, Ron átokkal akar rátámadni, ám az a rossz pálca miatt visszaverődik, így csigákat kezd köpni. Végül Hagridhoz fordulnak segítségért. Az első kviddicsmeccs alkalmával a Griffendél megnyeri a meccset, ám Harry keze eltörik. A gyengélkedőn megjelenik neki Dobby és elárulja: ő intézte el, hogy lekésse a vonatot és hogy baleset érje a meccsen, majd eltűnik. Később, egy Sötét Varázslatok Kivédése órán Harry és Draco párbajban küzd meg egymással, majd miután Draco egy kígyót "varázsol" ellenfele elé, Harry beszélgetni kezd az állattal.

Ezután mindenki azt gondolja, párszaszája miatt Harry az a bizonyos "Mardekár utódja", aki kinyitotta most a Titkok Kamráját. Mindenki elpártól tőle, kivéve néhány tanárt, Ront, Hermionét és Dumbledoret. Dumbledore egy alkalommal megmutatja neki a főnixmadarát, Fawkest.

Hermione azt gondolja, Draco tudhat valamit a merényletekkel kapcsolatban, így egy tervet eszel ki: egy százfűlé-főzet segítségével Mardekáros tanulóként kifaggatják Malfoyt. Egy elhagyatott WC-ben készítik el az italt, miközben megsmerik Hisztis Myrtlet. Miután elkábították az igazi Crakot és Monstrot Harry és Ron felveszi azok alakját, ám Hermione nélkül indulnak útnak, ugyanis a lány egy véletlen folytán macskaalakot ölt. A Mardekár klubbhelységében megtudják Dracotól, nem ő áll a kővé dermesztések mögött, és hogy a Titkok Kamráját régen felnyitották, akkor egy sárvérű halt meg.

Harry talál egy naplót (Voldemort egyik horcruxa-[lásd később]) Myrtle WC-jében. Mikor elkezdi olvasni, egy Tom Denem nevű fiú -a napló tulajdonosa- a múltba repíti. Harry szeme elé tárul néhány főbb esemény: Tom Denem és Dumbledore egykori beszélgetéséből megtudja, hogy a Titkok Kamrájából jött "szörnyeteg" végzett egy diák-lánnyal, majd Hagridot vádolták meg a kamra kinyitásával. A jelenben másnap valaki felforgatja a Griffendél klubbhelységét és elrabolja a naplót.

McGalagony professzor szörnyű dolgot tár Harry és Ron szeme elé: Hermione kővé dermesztett testét. A fiúk Hagrid segítségét kérik, aki a Tiltott Rengetegbe irányítja őket a pókok után, majd felsőbb parancsra a Mágiaügyi Miniszterrel indul a Minisztériumba. Harry és Ron Agyarral (Hagrid kutyájával) az erdőbe mennek, majd követve a pókokat eljutnak egy óriási méretű pók, Aragog fészkébe. Aragog, Hagrid barátja elárulja nekik, hogy egy baziliszkusz az a bizonyos szörny a kamrában. Csakhogy Aragog tiltakozása nélkül a pókok megtámadják Ronékat, akik segítségére végül a repülő Ford siet és kijuttatja őket a Tiltott Rengetegből. Ezután kinyomozzák: ha állítólag valaki belenéz a szörny szemébe, azonnal meghal, ám ha nem közvetlenül, akkor "csak" kővé dermed.

Mikor Ron húgát Ginnyt is elragadja a baziliszkusz és a kamrába viszi, Ron és Harry elhatározza: megtalálják a kamra bejáratát és kiszabadítják a lányt. Ehhez Lockhart segítségét kérik, aki ezt visszautasítja, majd megpróbálja kitörölni Harryék emlékezetét. Csakhogy a két fiú lefegyverzi a gyáva férfit, majd elviszik Myrtle mosdójába. Ott a szellem-lány (akivel szintén a baziliszkusz szeme "végzett" segítségével rátalálnak a kamra bejáratára.

Miután lejutottak, Lockhart megpróbál elszökni, ám Ron rossz pálcáját használva kitörli a saját emlékezetét. Harry egyedül folytatja útját, így rátalál az ájult Ginnyre, mellette pedig Tom Denemre és a naplójára. Tom elárulja: ő Voldemort nagyúr régi énje és hogy az akkor tudtán kívül levő Ginny írta fel a feliratot a falra, majd rabolta el a naplót. Tom ezután előhívja a baziliszkuszt, hogy ölje meg Harryt, ám megjelenik Fawkes, ledobja a Teszleg Süveget, majd megvakítja az óriási kígyót.

A süvegben megjelenik Griffendél Godrik kardja, aminek segítségével Harry végez a szörnnyel. A fiúba azonban beleáll a kígyó egyik méregfoga, amit megragadva szétszúrkálja azt a bizonyos naplót. Tom Denem megsemmisül, Harry sebét pedig Fawkes gyógyító könnye gyógyítja meg. Az eset után Harry, Ron, Ginny és Lockhart visszatér a Roxfortba a Főnix madár segítségével.

Harry megtudja Dumbledoretól, hogy Griffendél Godrik kardja csak igazi Griffendéles tanulónak jelenhet meg. Az igazgatóiból kilépve Harry egy csellel felszabadítja Dobbyt Lucius Malfoy uralma alól, aki ezért megpróbál átkot szórni a fiúra. Csakhogy ekkor Dobby közéjük lép és egy varázslattal megvédi Harryt. Tanév végén Hagrid visszatér a Roxfortba, minden diák nagy örömére.