Во время летних каникул с Дурслями Гарри Поттер встречает домового эльфа Добби, который предупреждает юного волшебника об опасности, подстерегающей его в новом учебном году в Хогвартсе, и просит мальчика остаться дома. Когда Гарри отказывается слушать Добби, эльф саботирует важный ужин для Дурслей, в результате чего дядя Вернон сажает племянника под замок, чтобы тот больше не смог вернуться в Школу Чародейства и Волшебства. Тем не менее Гарри покидает дом родственников благодаря своему лучшему другу Рону Уизли и его старшим братьям Фреду и Джорджу, которые прилетают за ним на заколдованном Ford Anglia Уизли-старшего.
В Косом переулке Гарри встречается с Рубеусом Хагридом и Гермионой Грейнджер, а также знакомится со своим новым преподавателем Защиты от Тёмных искусств Златопустом Локонсом. Столкнувшись с Драко Малфоем, Гарри замечает, что отец Драко, Люциус Малфой, подсовывает в учебники Джинни Уизли книгу неизвестного содержания. По непонятным причинам Гарри и Рону не удаётся попасть на платформу 9¾ на вокзале Кингс-Кросс и отправиться в школу на «Хогвартс-экспрессе», поэтому им приходится добираться на летающей машине отца Рона, на которой друзья врезаются в Гремучую иву, в результате волшебная палочка Рона ломается.
Вскоре после начала занятий Гарри начинает слышать в своей голове таинственный голос, и вместе с Роном и Гермионой обнаруживает подвешенную на стене окаменевшую Миссис Норрис, кошку школьного завхоза Аргуса Филча, рядом с написанным кровью посланием: «Тайная комната открыта. Враги наследника, трепещите!». Профессор Макгонагалл объясняет, что один из основателей Хогвартса, Салазар Слизерин, якобы построил в замке некую комнату, которую однажды должен открыть его наследник и избавиться от обучающихся в школе полукровок и маглорождённых, считавших недостойными изучать магию. Подозревая, что этим наследником является Малфой, Гарри, Рон и Гермиона планируют допросить его, замаскировавшись с помощью запрещённого оборотного зелья, которое они варят в женском туалете, где обитает призрак Плаксы Миртл.
Во время матча по квиддичу метивший в Гарри бладжер ломает ему руку, но это не помешало ему поймать снитч и принести сборной Гриффиндора победу. В лазарете мальчика навещает эльф Добби, который признаётся в том, что он заблокировал проход на платформе 9¾ и заколдовал бладжер, чтобы вынудить Гарри Поттера покинуть Хогвартс. Впоследствии Гарри невольно демонстрирует перед всей школой умение общаться со змеёй, после чего многие ученики начинают считать его наследником Слизерина. Превратившись в Крэбба и Гойла, Гарри и Рон узнают от Малфоя, что тот не является наследником, а также о смерти девочки-магла в год, когда комната была открыта последний раз. Гарри находит заколдованный дневник, принадлежащий бывшему ученику Хогвартса, Тому Реддлу, из которого узнаёт, что тот обвинил Хагрида в открытии Тайной комнаты пятьдесят лет назад. После исчезновения дневника и обращения Гермионы в камень Гарри и Рон отправляются к Хагриду, воспользовавшись мантией-невидимкой. Однако в этот же вечер к Хагриду приходят Дамблдор, министр магии Корнелиус Фадж и Люциус Малфой, чтобы забрать лесничего в Азкабан. Прежде чем уйти, Хагрид успевает намекнуть Гарри и Рону следовать за пауками. В Запретном лесу друзья встречаются с гигантским домашним пауком Хагрида, Арагогом, подтверждающим невиновность своего бывшего хозяина, и дающим подсказку о происхождении монстра.
Навестив в лазарете Гермиону, Гарри и Рон находят в её руке листок с описанием василиска — гигантской змеи, способной убивать взглядом. Однако из-за того, что жертвы замка видели лишь отражение василиска, они не погибли, а лишь окаменели. Преподаватели Хогвартса, узнавшие о заточении Джинни Уизли в Тайной комнате, предлагают Златопусту Локонсу спасти её. Гарри и Рон, обнаружив Локонса готовящимся к бегству, разоблачают преподавателя Защиты от Тёмных искусств, как мошенника. Догадавшись, что Плакса Миртл и была той самой погибшей жертвой василиска, они находят вход в Тайную комнату в туалете для девочек. Воспользовавшись моментом, Златопуст Локонс отбирает у Рона сломанную палочку, но, пытаясь воспользоваться ею, случайно вызывает каменный обвал и теряет память.
Гарри попадает в Тайную комнату, где находит Джинни без сознания рядом с физическим воплощением Тома Реддла. Последний раскрывает, что с помощью дневника использовал Джинни, чтобы открыть комнату и оставить послания на стене. Кроме того, Реддл заявляет, что он и есть наследник Слизерина, а также будущий Волан-де-Морт. После того, как Гарри выражает свою преданность Дамблдору, появляется птица-феникс Фоукс с распределяющей шляпой, тогда как Реддл призывает василиска. Феникс ослепляет змею, а Гарри достаёт из шляпы меч Годрика Гриффиндора, с помощью которого убивает василиска, однако сам он смертельно ранен ядовитым клыком змеи.