Moskau, 1924. Nach einem schrecklichen Tag denkt ein streunender Hund über sein Pech nach, auf den Straßen Moskaus zu leben. Dann, zu seiner Überraschung, kommt der erfolgreiche Chirurg Filip Filippowitsch Preobraschend an und bietet dem Hund ein Stück Wurst an. Überglücklich folgt der Hund Filip zurück in seine Wohnung, wo man ihm den Namen eines Stockhundes gibt: Sharik.
Im Haus lernt Sharik den Haushalt von Dr. Preobrazhensky kennen, zu dem Dr. Bormenthal, der Student und Schützling des Professors, und zwei weibliche Bedienstete gehören. Trotz des lautstarken Antikommunismus des Professors macht ihn seine häufige medizinische Behandlung der Parteiführung unantastbar. Er weigert sich, seine Sieben-Zimmer-Wohnung zu verkleinern, und behandelt die Bolschewiki im Wohnkomitee mit Verachtung. Von seinem neuen Herrn beeindruckt, schlüpft Sharik leicht in die Rolle eines "Herrenhundes".
Nachdem sich Shariks Gesundheitszustand verbessert hat, bereitet sich der Professor darauf vor, ihn zu operieren. Sharik wird an der Schramme des Nackens in das Labor geschleift. Dort wird er betäubt, und eine Operation beginnt. Als Bormenthal ihm assistiert, gibt ihm der Professor eine menschliche Hypophyse und menschliche Hoden.
In den Wochen nach der Operation ist der Haushalt fassungslos, als Sharik beginnt, sich in einen unglaublich ungepflegten Menschen zu verwandeln. In der Folgezeit versuchen der Professor und Bormenthal geduldig, Scharikow grundlegende Umgangsformen beizubringen. Stattdessen verspottet Scharikow die Idee der Manieren als Relikte des Zarismus. Er besteht darauf, dass es besser ist, sich, wie er es ausdrückt, "natürlich" zu verhalten. Infolgedessen flucht Scharikow vor Frauen, weigert sich, sich zu rasieren, und kleidet sich wie eine Schlampe.
Unterdessen macht Scharikow dem Professor das Leben zur Hölle. Er wird bei dem Versuch erwischt, eine der weiblichen Bediensteten zu vergewaltigen. Bormenthal verprügelt Scharikow wütend und zwingt ihn, sich zu entschuldigen. Wütend verlässt Scharikow die Wohnung und bleibt mehrere Tage weg.
Später bittet Bormenthal den Professor um die Erlaubnis, Scharikow mit Arsen zu dosieren, und nennt ihn einen Mann mit "Hundeherz". Der Professor ist entsetzt und befiehlt Bormenthal, den "Hund nicht zu verleumden". Er erklärt, dass die menschlichen Körperteile, die von einem Betrunkenen stammten, für alle Defekte Scharikows verantwortlich seien. Bormenthal schlägt dann vor, die Operation mit dem Körper eines Genies zu wiederholen. Wieder weigert sich der Professor und erklärt, die Operation diene der Verbesserung der menschlichen Rasse. Der Professor bricht mit seinen früheren Überzeugungen und gibt zu, dass jede Bäuerin ein Genie zur Welt bringen könne und dass Eugenik Zeitverschwendung sei. Abschließend weigert sich der Professor, den Mord an Scharikow zuzulassen oder die Operation rückgängig zu machen, wodurch auch er leicht getötet werden könnte.
Bald darauf kehrt Scharikow zurück und erklärt, dass ihm der Sowjetstaat eine Stelle gewährt habe. Er verbringt nun seinen Arbeitstag damit, herumstreunende Katzen zu erwürgen, deren Fell das von Eichhörnchen imitiert. Bald darauf bringt Scharikow eine Mitarbeiterin mit nach Hause, die er dem Professor als seine neue Frau nach Gewohnheitsrecht vorstellt.
Anstatt ihnen ein eigenes Zimmer zu geben, wie Scharikow verlangt, nimmt der Professor die Frau beiseite und erklärt, dass Scharikow das Produkt eines schrecklich schief gelaufenen Laborexperiments ist. Die Frau, die geglaubt hatte, dass Scharikow ein während des russischen Bürgerkriegs verwundeter Veteran der Roten Armee sei, verlässt weinend die Wohnung. Vor Hass schäumend, droht Scharikow damit, sie zu entlassen. Wieder verprügelt Bormenthal Scharikow und lässt ihn versprechen, nichts dergleichen zu tun.
Am folgenden Tag trifft ein hoher Parteifunktionär ein und teilt dem Professor mit, dass Scharikow ihn bei der Geheimpolizei, der Tscheka, denunziert hat. Der Parteifunktionär erklärt, dass ihm aufgrund des Misstrauens des Staates gegenüber Scharikow nichts geschehen werde, und reist ab. Als Scharikow zurückkehrt, befehlen ihm der Professor und Bormenthal, die Wohnung endgültig zu verlassen. Stattdessen weigert sich Scharikow und zieht einen Revolver. Wütend stürzen sich der Professor und Bormenthal auf ihn.
In dieser Nacht herrscht eine bedrohliche Stille in der Wohnung, und die Lichter bleiben noch viele Stunden nach der Schlafenszeit an. In den folgenden Tagen sehen der Professor und Bormenthal weitaus entspannter aus als zu jedem Zeitpunkt vor Scharikows Ankunft. Schliesslich trifft die Polizei mit einem Durchsuchungsbefehl ein. Sie verlangen, Scharikow zu sehen. Unerschrocken befiehlt der Professor Bormenthal, Scharikow vorzuladen, der sich langsam wieder in einen Hund verwandelt. Der Professor erklärt die Verwandlung als ein natürliches Phänomen, obwohl es für den Leser offensichtlich ist, dass er und Bormenthal in Wirklichkeit nur die umgekehrte Operation durchgeführt haben. Die Polizei rückt ab.
In der Folgezeit nimmt der vollständig hündische Sharik glückselig seinen Status als Gentleman-Hund wieder ein. Doch schon bald sieht er mit Schrecken, wie der Professor ein menschliches Gehirn nach Hause bringt und die Hirnanhangdrüse entfernt...
