L'histoire se passe en Angleterre, dans un futur proche. Alex DeLarge est un jeune délinquant passionné par la musique de Beethoven (« Ludwig van »), obsédé par le sexe et adepte de la violence (ultraviolence dans son propre jargon).
Alex et sa bande, les droogs ou droogies, s'expriment dans un argot anglo-russe auquel l'auteur du roman, Anthony Burgess, a donné le nom de Nadsat, le mot droog faisant ainsi référence au mot « ami » en russe. Leur boisson préférée est le Moloko+, un lait « dopé » (speed, crack et mescaline synthétique). Ils errent dans la ville en commettant des passages à tabac, des viols et des bagarres entre bandes ennemies.
Un jour, un cambriolage dégénère en meurtre et, trahi par ses « fidèles droogs », Alex est arrêté par la police et condamné à 14 ans de réclusion criminelle. Deux ans plus tard, pour sortir de prison, il se porte volontaire pour tester une thérapie révolutionnaire, financée par le gouvernement dans le cadre d'un programme expérimental d'éradication de la délinquance. Sur un principe semblable à celui des réflexes de Pavlov, il s'agit d'amener Alex à associer certains stimuli (des scènes de violence ou de sexe projetées sur un écran qu'il est forcé à regarder) aux douleurs provoquées par les drogues qu'on lui administre au cours de ce traitement.
Lors d'une des séances est projetée une série de scènes de l'Allemagne nazie dont la bande-son est la Symphonie n° 9 de Beethoven. Après sa remise en liberté, il apparait totalement inadapté et sans défense face au reste de la société. Chassé et agressé par tous, il se refugie chez un homme, qui s'avère être une des ses anciennes victimes. Celui ci, par vengeance et pour affaiblir le gouvernement qui avait vanté sa réussite pour le cas d'Alex, utilise sa sensibilité à la neuvième symphonie pour l'amener à tenter de se suicider. La tentative de suicide d'Alex échoue et il est finalement sauvé de la mort et pris en charge par le ministre de l'Intérieur, désireux d'instrumentaliser les penchants du jeune homme et d'en tirer profit.