В эпосе повествуется о полубоге Гильгамеше — могучем воине, царе Урука. Никто не мог сравниться с ним в силе, и несчетные беды принес он людям, "буйствуя плотью". Молили они богов унять царя Урука. И вот богиня Аруру, вняв им, "отщипнула глины, бросила на землю, \Слепила Энкиду, создала героя.", который мог бы обуздать неистовство Гильгамеша ("пусть соревнуются, Урук да отдыхает"). Шерстью было покрыто его тело, жил среди зверей он, "ни людей, ни мира не ведал". Оберегая зверей от охотников, он вызвал их ненависть к себе, но те ничего не могли с ним поделать. В отчаянии охотники отправились в Урук и пали в ноги царю Гильгамешу, моля избавить их от ненавистного врага. Пустился на хитрость Гильгамеш, посоветовав охотникам отвести к Энкиду блудницу Шамхат - пусть соблазнит его. Так и поступили. И "блудница наслажденье дала ему, дело женщин". Когда же насытился лаской Энкиду, то обнаружил, что ослабело его тело и "разуменьем стал он глубже". Покинули его звери, и тогда Шамхат укорила его, говоря, зачем он ходит со зверьем: "Отведу тебя в Урук, где живет Гильгамеш могучий.". Энкиду дал согласие и заявил, что сразится с Гильгамешем. Шамхат же стала увещевать его проявить благоразумие, ибо в вещих снах было предначертано царю огражденного Урука появление друга, и быть ему, Энкиду, тем другом.
По пути в Урук Шамхат учит Энкиду носить одежду, питаться хлебом, и, придя в Урук, Энкиду перекрывает вход в брачный покой, куда имел право входить только Гильгамеш. Жители Урука признают его своим героем. Схватились герои в битве, но силой были равны, и Гильгамеш повёл его к своей матери Нинсун, где они братаются, но Энкиду плачет из-за того, что некуда ему приложить свою силу. Гильгамеш предлагает ему пойти в поход против Хумбабы — хранителя кедровых лесов в Ливане, Энкиду пытается отговорить Гильгамеша, рассказывая, как опасен лес Хумбабы и сам Хумбаба, которого боги наделили силой и храбростью, но Гильгамеш убеждает Энкиду тем, что жизнь человека и так коротка, и лучше умереть как герой, о котором будут помнить в веках, чем в безвестности. Старейшины Урука тоже пытаются отговорить его, но потом благословляют и просят Энкиду беречь царя. Перед походом они посещают царицу Нинсун, которая тоже беспокоится за сына и приносит жертву богу Шамашу.
По пути к кедровому лесу Гильгамешу снятся сны, которые Энкиду трактует как предсказания победы над Хумбабой, но в итоге они обращаются к богу Шамашу за наставлением и он велит им немедля напасть на Хумбабу, пока он надел только одно из семи ужасных одеяний. Герои опасаются входить в лес, но Гильгамеш подбадривает Энкиду, и они входят во владения Хумбабы и начинают рубить кедры, появление Хумбабы пугает их, но поддержка Шамаша заставляет друзей напасть на хранителя леса и убить его и семь его одеяний-лучей.
Богиня Иштар предлагает Гильгамешу стать её мужем, но он отказывает, говоря, что мужей было у неё много, а теперь все либо убиты, либо околдованы. Озлобленная Иштар просит Ану создать быка, способного убить героя, но Гильгамеш и Энкиду слаженными действиями побеждают быка. Энкиду снится сон о том, что боги Ану и Энлиль хотят убить его, хотя Шамаш заступается за него. Гильгамеш хочет обратиться с молитвой к Энлилю, но Энкиду отговаривает его, а сам обращается к Шамашу, проклиная охотника и блудницу Шамхат, однако Шамаш указывает Энкиду на то, что дала ему Шамхат, и он отменяет своё проклятье, заменяя его благословением.
Энкиду заболевает и вскоре умирает. Гильгамеш печалится и приказывает сделать статую брата. Гильгамеш уходит в пустыню, в странствие, осознав свою смертность после смерти друга, он устрашается смерти. Путешествуя, он доходит до края мира, где встречает человека-скорпиона и рассказывает ему о своей печали и о том, что хочет найти Утнапишти, единственного человека, получившего бессмертие (по некоторым источникам — предок Гильгамеша), и расспросить его о жизни и смерти. Человек-скорпион говорит, что путь в страну Дильмун, куда боги поселили Утнапишти, лежащий через длинную пещеру, страшен и людьми не хожен — только боги ходят этим путём. Гильгамеш не устрашается, и человек-скорпион благословляет его.
Гильгамеш с первого раза не осилил трудный путь — устрашился и вернулся, со второй попытки он прошёл пещеру и оказался в прекрасном саду из драгоценных каменных деревьев. Там встречает он хозяйку богов Сидури, которая, испугавшись, закрывается от него в доме, и сначала не верит, что он Гильгамеш, так как он грязен и худ, ему приходится рассказать свою историю. Она пытается убедить его, что бессмертие не положено человеку, не стоит тратить время на поиски — лучше радоваться жизни, но Гильгамеш спрашивает её, как найти Утнапишти, и она говорит, что, кроме Шамаша, никто не сможет переправиться, и только Уршанаби, корабельщик Утнапишти, у которого в лесу идолы, может помочь.
Уршанаби помогает Гильгамешу добраться до Утнапишти. Гильгамеш рассказывает ему о своём горе и спрашивает, как Утнапишти удалось стать равным богам. Утнапишти рассказывает историю о потопе, в котором выжил только он, и боги приняли его к себе, но для Гильгамеша богов на совет не собрать. Утнапишти говорит Гильгамешу, что есть на дне океана цветок, что даёт вечную молодость, тот добывает его и решает сначала испытать его на старцах Урука. Но по пути обратно змея похищает цветок и Гильгамеш возвращается ни с чем.
В некоторых интерпретациях также присутствует продолжение, в котором Гильгамеш встречается со своим братом Энкиду, вышедшем из загробного мира, и повествующее о тяжком бытии в мире мертвых (для древних шумеров свойственно довольно мрачное представление об посмертном существовании, в отличие, например, от египтян). После чего Гильгамеш смиряется с участью смертного.
