C'est l'hiver et Paris est gris en cette fin des années cinquante. Antoine Doinel est un enfant solitaire d'une douzaine d'années. Livré à lui-même à la maison entre une mère glaciale et un père farceur mais démissionnaire et cocu, il ne se trouve bien que dans les rues avec son ami René. A l'école, c'est un cancre persécuté par un instituteur borné. Le maitre lui inflige un pensum pour s’être fait pincé en classe avec la photo d'une pin-up. Le lendemain Antoine qui a oublié d'écrire sa punition fait l'école buissonnière avec son ami René. Au cours de cette journée de balade, les deux adolescents vont à la fête foraine; un peu plus tard le jeune Antoine surprend, place de Clichy sa mère dans les bras de son amant.

Le lendemain, Antoine retourne en classe et déclare à l'instituteur que sa mère est morte pour expliquer son absence. Le mensonge est bien vite découvert et l'enfant giflé par son propre père devant toute la classe. Il décide alors de ne pas retourner chez lui. Rene le conduit dans une imprimerie où il trouve refuge pour la nuit. Il s'y endort mais réveillé par des ouvriers il s'enfuit et erre dans les rues obscures. Au petit matin il vole une bouteille de lait, se lave dans la fontaine de la Trinité et rentre en classe.

Sa mère affolée vient le chercher à l'école et le ramène à la maison où elle lui propose un marché : s'il écrit un bon devoir de français elle lui donnera de l'argent. Antoine se plonge avec passion dans la lecture de La recherche de l'absolu de Balzac. En classe le jour de la composition de français, on le voit gratter fiévreusement le papier. Rentré chez lui il allume une bougie devant un petit autel aménagé dans sa chambre à la gloire du romancier. Elle met le feu au logis familial et du coup, son père furieux éteint l'incendie. Sa mère prend la défense de l'enfant et pour détendre l'atmosphère propose qu'ils aillent tous les trois au cinéma.

A l'école la maitresse annonce à Antoine qu'il a eu la plus mauvaise note de la classe pour avoir plagié Balzac. Il veut l'expédier chez le directeur. Antoine s'enfuit; René l'héberge chez lui. Ses parents ont de l'argent même si sa mère boit et son père est peu présent. Les enfants sortent le soir, ils vont à une séance de guignol où ils prennent la décision de voler une machine à écrire dans le bureau du père d'Antoine. Ce dernier opère le larcin.

La machine se révèle invendable et il décide de la rapporter. II se fait prendre par le gardien de nuit qui appelle son père. Monsieur Doinel conduit son fils au commissariat où il passe une partie de la nuit entre un malfaiteur et des prostituées. Puis on le conduit en prison où il sera incarcéré pour vol. Du fourgon qui traverse un Pigalle nocturne scintillant de néons, Antoine regarde une dernière fois Paris et se met à pleurer.

Transféré dans un centre d'observation pour mineurs délinquants à proximité de la mer on le voit d'abord recevoir une gifle au réfectoire pour avoir entamé son pain, puis répondre plus tard aux questions d'une psychologue. Sa mère vient le voir et lui annonce qu'à la suite d’une de ses lettres où Antoine raconte vraisemblablement l'épisode de l'amant, ses parents ont décidé de ne plus le revoir. Au cours d'une partie de foot, Antoine se glisse sous la clôture et s’enfuit à travers bois. Il échappe à ses poursuivants et court longuement jusqu'à la mer. Arrivé au bord des vagues, il se retourne vers la caméra qu'il fixe d'un air grave.