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 kellemes nyár után szeptember elsején a gyerekek a kilenc és háromnegyedik vágányra mennek, hogy a Roxfort Expresszel elutazzanak az iskolába, de Harry és Ron nem tudnak átmenni a mágikus korláton. Kétségbeesésükben a repülő autóval indulnak a hosszú útnak Észak felé, de az iskola parkjában nekirepülnek a fúriafűznek, és 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, egy szörnyeteg rója útját a kastély falai között, és egyre több diákot dermeszt kővé. A legenda szerint a kamrát Mardekár Malazár építette, azért, hogy mikor eljön az ő megfelelő utódja, akkor az kinyissa a kamrát és az ott rejtőző borzalmat szabadon engedve megtisztítsa az iskolát mindazoktól, akik szerinte méltatlanok a mágia tanulására. Sokan a diákok közül azt gondolják, Harry Mardekár utódja, és ő nyitotta ki a kamrát, különösen, miután kiderül, hogy Harry tud párszaszóul (a kígyók nyelvén). A három jóbarát, Harry, Ron és Hermione százfűléfőzetet főznek, hogy kiderítsék, ki is Mardekár utódja, a két fiú, Craknak és Monstronak öltözve ki is deríti, hogy nem Malfoy az, bár előtte erről teljes mértékben meg voltak győződve. Hermione viszont véletlenül macskaszőrt tesz a saját poharába, és csak hetek alatt eltűnő macskafület, -szőrt és -farkat növeszt magának.

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 elrabol magával egy lányt, Ginny Weasleyt, és magával viszi a kamrába, ahol "a lány csontjai örökidőkig pihennek majd".

Ron segítségével Harry kideríti, hol található a titkok kamrájának bejárata. Amikor a fiúk Gilderoy Lockhart segítségét kérnék, kiderül, hogy a tanár valójában egy csaló, aki más varázslók tetteivel dicsekszik a könyveiben. Lockhart professzor ki akarja törölni az emlékeiket, de a fiúk nem hagyhatják meglógni, ezért magukkal viszik a kamrába. Amikor a tanár mégis megpróbál megszökni tőlük, Ron törött varázspálcáját használja, és a félresikerült varázslat miatt egy hatalmas kőomlás rekeszti el a barlangot. Harry a kamra felőli oldalon reked, Ron és az ájult tanár a kijárat felőlin találja magát. Harry bejut a kamrába, és megtalálja az eszméletlen Ginnyt. Ezenkívül találkozik ott 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 emlék segítségével azt a munkát, amit 50 évvel azelőtt elkezdett – 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, és Harry megszerzi ennek segítségével Griffendél Godrik kardját. 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 haldokló kígyó méregfogát Harry beleszúrja a naplóba, az emlék eltűnik, Ginny, pedig feléled a halál közeli állapotból. A gyengélkedőn kipiheni magát, és 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 és visszadja Mr Malfoynak, aki rögtön hozzávágja Dobbyhoz, felszabadítva ezzel 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 vérbeli griffendéles húzhatta elő a süvegből, aki igazán a Griffendélhez tartozik és oda is akar tartozni. 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, míg visszanyeri a memóriáját.