В 1942 году профессор Филипп Филиппович Преображенский открыл способ омолаживания организма. Секрет был в том, что для этого требовалась пересадка желез внутренней секреции животных человеку. Его 7-микомнатная квартира находилась на Пречистенке, там же он принимал всех пациентов. У Преображенского был личный ассистент Иван Арнольдович Борменталь, который помогал ему с пациентами.
Профессор состоял в жилтовариществе и был смущен новыми переменами: ему не нравились оголившиеся лестницы, ковер был украден, а входную дверь почему-то запирали.
Филипп Филиппович находит на улице пса без породы. Пес выглядел вялым и нездоровым, а бока его были ободраны. Приведя его в дом, профессор поручает домработнице Зине смотреть и кормить пса. Профессор пересадил ему внутренние секреции от некого Клима Чугункина, и уже через неделю дворняга Шарик выглядел здоровым, довольным и сытым. Климу было 25 лет, когда его зарезали ножом, а прежде он был многократно судим.
Эксперимент пересадки внутренних секреций прошел довольно удачно, так как со временем дворняга стал превращаться в человека. Буквально за три недели у него отпала вся шерсть, он стал набирать в весе и скоро начал высказывать первые звуки, похожие на человеческие. Выглядел он безобразно и любил игру на балалайке.
Однажды пес решил стать личностью по имени Полиграф Полиграфович Шариков. Он еще некоторое время испытывал отголоски прежней собачьей жизни и гнался за кошками. Одна из таких погонь закончилась сломанным краном профессора, который в итоге затопил его квартиру. Шарик вытворял и другие пакости: разбил окно, приставал к кухарке, закидал камнями Преображенского из-за того, что тот решил его прогнать.
Борменталь принялся учить Шарикова поведению за столом и другим чертам, свойственным людям. Полиграф заинтересовывается литературой, читает переписку Энгельса и Каутского, но не был согласен с их идеями. Преображенского взбесило такое поведение Шарикова и он сжег записку в печке, так как последний был не образован, и соответственно, не способен так рассуждать.
Спустя две недели Шариков каким-то образом находит документ, который подтверждал его причастность к жилтовариществу. Он требовал у профессора выделить ему отдельную комнату. Позже он крадет у него несколько червонцев и приходит ночью домой пьяным в сопровождении двоих неизвестных. Они, в свою очередь, решили прихватить с собой несколько ценностей профессора перед уходом.
Преображенский решил серьезно поговорить со своим песиком. Между ними завязывается беседа и они приходят к выводу, что профессор собственноручно сделал из никому не мешавшего дворняги аморальную личность. Теперь перед Преображенским был не бездомный пес, а настоящий человек, у которого было человеческое сердце. Но профессор понимал, что перед ним стоял тот самый поганый юноша Чугункин.
Скоро Шариков получает удостоверение, подтверждающее его звание чистильщика города от бездомных животных. Также он находит себе барышню, на которой он хочет жениться и жить с ней в квартире профессора, и представляет ее своему прародителю. Профессор с Борменталем решили рассказать девушке всю правду про Полиграфа. Она была в истерике, и понимает, что Шариков врал ей.
Преображенский настаивал, чтобы Шариков убрался с его дома как можно скорее. Полиграф не был с ним согласен, он показывает ему шиш и направляет на него револьвер. Но профессор и его ассистент скрываются от него и убегают из дома через черный вход.
Через несколько дней в дом профессора приходит следователь, который показывает ему ордер на арест и просит пройти с ним. Преображенского подозревали в убийстве заведующего Шарикова. Профессор вошел в комнату Шарикова и показал его следователю, но вместо Полиграфа там сидел то ли полупес, то ли получеловек.
Через три месяца Шариков полностью вернулся в прежнее состоянии мирного пса, и только тихо сопел на ковре у профессора Преображенского.