Действие романа происходит в XXII веке. Человечество начало освоение Солнечной системы, создало колонии на Марсе, Меркурии и спутниках внешних планет. Для поиска опасных астероидов создан Космический патруль. Человечество обнаруживает в космосе огромный цилиндрический объект, очень похожий на искусственный (принятый сначала за астероид и названный в честь Рамы). Его длина — десятки километров, он летит к Солнцу из глубин Галактики.
«Индевор», один из кораблей Космического патруля, находится достаточно близко от траектории объекта и является единственным пилотируемым кораблем, который способен догнать пришельца. У экипажа будет лишь пара месяцев, чтобы побывать на корабле и вступить в контакт с инопланетным разумом. Проникнув внутрь, люди находят примерно то, что и ожидалось — колоссальное открытое пространство, кислород, море, созданную центробежной силой гравитацию — все условия для обитания на внутренней стороне цилиндра, созданного для путешествия в течение сотен и тысяч лет.
Вскоре исследователи обнаруживают, что этот искусственный мир является обитаемым: по мере приближения к Солнцу начинают свою активность роботы, занимающиеся обслуживанием поверхности и механизмов цилиндра. Но кроме примитивных обитателей моря, а также редких «цветков» на поверхности, другой биологической жизни в цилиндре нет.
Все устройства и многие элементы устройств Цилиндра сделаны в трёх копиях. За счёт дублирования систем создатели Цилиндра планировали повысить шансы на успешное завершение путешествия. В самом конце романа читателю даётся понять, что такое дублирование могло иметь место также и на уровне Цилиндров: следуя логике создателей, цилиндров также должно быть три, в будущем человечество может вновь встретиться с ними.
Тем временем одна из колоний Земли — Меркурий — попав в плен предрассудков о злобных пришельцах, отправляет на перехват Рамы термоядерную мину, чтобы иметь возможность уничтожить инопланетный корабль дистанционно, если тот проявит враждебность.