A szünidőt a Dursley családnál töltő Harryt meglátogatja Dobby, egy házimanó, aki figyelmezteti a fiút, hogy halálos veszélynek teszi ki magát, ha visszatér Roxfortba szeptemberben. Harry ennek ellenére vissza szeretne menni az iskolába, noha a házimanó ezt megpróbálja megakadályozni. A fiú nagybátyja és nagynénje elzárták Harrytól a könyveit és a varázspálcáját, és úgy kezelték, mint egy rabot, de a Weasley testvérek (Fred, George és Ron) kimentik szorult helyzetéből apjuk repülő Fordjának segítségével. Az Odúban töltött idő után szeptember elsején a gyerekek a kilenc és háromnegyedik vágányra mennek, hogy a Roxfort Expresszel elutazzanak az iskolába. Azonban Harry és Ron nem tudnak átmenni a mágikus korláton. Kétségbeesésükben a repülő autóval indulnak a hosszú útnak Észak felé. A megérkezés azonban nem úgy sikerül, ahogy a fiúk eltervezik. Az öreg autó nem bírja a hosszú utat, és az iskola parkjában nekirepülnek a fúriafűznek. Ráadásul eltörik Ron varázspálcája. Az önálló életre ébredő autó kihajítja magából a fiúk ingóságait, és eltűnik a Tiltott Rengetegben.

Harryt hamarosan három olyan ember tünteti ki figyelmével, akik egy idő után meglehetősen zavarni kezdik mindennapi életében: az új sötét varázslatok kivédése tantárgy tanára, Gilderoy Lockhart, aki a saját életének legendáját szeretné fényezni minden percben, Colin Creevey, egy új griffendéles fiú, Harry elsőszámú csodálója, aki minden adandó alkalommal fotót készít Harryről, és Ron húga, Ginny, akinek nagyon tetszik Harry. Az események akkor vesznek rossz irányt, amikor kinyílik a titkok kamrája, és egy szörnyeteg jelenik meg a kastély falai között, ami egyre több diákot dermeszt kővé. A legenda szerint a kamrát Mardekár Malazár építette azért, hogy az ott rejtőző borzalmat szabadon engedve megtisztítsa az iskolát mindazoktól, akik szerinte méltatlanok a mágia tanulására. Sokan a diákok közül azt gondolják, hogy Harry Mardekár utódja, ő nyitotta ki a kamrát, különösen, miután kiderül, hogy Harry tud párszaszóul (a kígyók nyelvén). A három jóbarát, Harry, Ron és Hermione százfűléfőzetet főz, aminek segítségével megpróbálják kideríteni, hogy ki is Mardekár utódja. Mivel Malfoy-ra gyanakodnak, a két fiú, Craknak és Monstronak öltözve kerülnek a közelébe. De rájönnek, hogy gyanújuk alaptalan, nem Malfoy az utód. Hermione viszont véletlenül macskaszőrt tesz a saját poharába, és csak hetek múlva tünik el róla a macskafül, -szőr és -farok.

Az év folyamán egyre szaporodnak a diákok elleni merényletek, elsőként Colin Creevey, majd Justin Finch-Fletchley, egy hugrabugos fiú esik áldozatul, Félig Fej Nélküli Nickkel,a Griffendél kísértetével együtt. Végül Hermionéra is kővé dermedve találnak rá. Az év vége előtt nem sokkal pedig egy tragikus dolog történik: a szörny elrabolja Ginny Weasleyt, és magával viszi a kamrába, ahol "a lány csontjai örökidőkig pihennek majd".

Ron és Harry kideríti, hogy a titkok kamrájának bejárata hol található. Amikor a fiúk Gilderoy Lockhart segítségét kérnék, rájönnek, hogy a tanár valójában egy csaló, aki más varázslók tetteivel dicsekszik a könyveiben. Lockhart professzor ki akarja törölni az emlékeiket, de a fiúk lefegyverzik és magukkal viszik a kamrába. Amikor a tanár megpróbál megszökni tőlük Ron törött varázspálcája segítségével saját magát találja el a felejtés átokkal, ráadásul kőomlást idéz elő, ami zárja a barlangot. Harry a kamra felőli oldalon reked, Ron és az ájult tanár a kijárat felőlin találja magát. Harry megtalálja az eszméletlen Ginnyt és találkozik egy fiatalemberrel is, akit Tom Denemnek hívnak, és egy napló által őrzött emléknek vallja magát. Harry megtudja, hogy a titkok kamráját ebben a tanévben Ginny nyitotta ki, Voldemort irányítása alatt. A Sötét Nagyúr, akinek az eredeti neve Tom Denem, fiatalkorában készítette az elvarázsolt naplót, mely megőrizte az emléket, a fiatalkori énjét, azzal a céllal, hogy egy nap az folytassa az iskola mágiára méltatlan tanulóinak eltávolítását. Amikor Voldemort maga nyitotta ki a kamrát, akkor Hagridot vádolták az üggyel, és őt tanácsolták el az intézményből Tom Denem helyett.

Az emlék egyre erőteljesebb lesz, ahogy elveszi Ginny életerejét. Tom szabadon engedi a kamrában lakó szörnyet, a baziliszkuszt (ez dermesztette kővé a diákokat), és megpróbálja vele megöletni Harryt, de Dumbledore főnixe, Fawkes eljuttatja a Teszlek Süveget a fiúhoz, akihez így kerül Griffendél Godrik kardja. Fawkes megvakítja a baziliszkuszt, emiatt már nem halál fia az, aki a szemébe néz a hatalmas kígyónak, majd Harry leszúrja a karddal Mardekár szörnyét. A kígyó egyik méregfoga beletörik Harry karjába, de szerencsére a főnix könnye gyógyító hatású, így semlegesíti a mérget. A méregfogat Harry beleszúrja a naplóba, az emlék eltűnik, Ginny pedig feléled. Az egész évben nevelt mandragóráknak köszönhetően a kővédermesztett diákok is hamarosan újra felélednek.

Harry rájön, hogy a naplót Lucius Malfoy adta Ginnynek, amikor az Abszol úton vásárolva találkoztak a Czikornyai és Patzában, de ezt nem tudja bebizonyítani. Dobbyról kiderül, hogy a Malfoy család házimanója, és egész évben próbálta megvédeni Harryt. A fiú belerejti egyik zokniját a naplóba, amit visszad Mr Malfoynak. Mr. Malfoy tudatlanul hozzávágja Dobbyhoz a naplót, benne a zoknival, ezzel felszabadítva a házimanót (a hagyomány szerint ruhát ad neki, és ez a manó szabadságát jelenti). Dobby rendkívül hálás Harrynek, és megvédi, amikor Lucius Malfoy hirtelen haragjában meg akarja átkozni a fiút.

Dumbledore eloszlatja Harry kételyeit a tekintetben, hogy Harry nem igazi griffendéles, mert a kardot csak egy igazi griffendéles húzhatta elő a süvegből. Az igazgató elmagyarázza Harrynek, hogy nem az a lényeges, hogy kinek születik az ember, hanem, hogy mit tesz és akar tenni az életében.

Gilderoy Lockhartról eközben kiderül, hogy a félresikerül felejtésátok következtében elvesztette az emlékezetét, és a Szent Mungo Varázsnyavalya- és Ragálykúráló Ispotályba viszik, bizonytalan idejű kezelésre....