Le roman s'ouvre en 1819, avec la description sordide et répugnante du quartier du Val-de-Grâce et de la Maison-Vauquer, une pension parisienne située dans la rue Neuve-Sainte-Geneviève et appartenant à la veuve madame Vauquer. Plusieurs résidents s'y côtoient, dont : Eugène de Rastignac, jeune étudiant en droit, ambitieux, à l'esprit sagace et d'origine modeste ; un mystérieux personnage au physique imposant et aux manières un peu rustres et grossières, nommé Vautrin ; et un ancien vermicellier ayant fait fortune pendant la Révolution, maintenant retraité, complètement désargenté et veuf, surnommé le père Goriot. À l'époque où ce dernier est arrivé à la pension, lorsqu'il était encore riche, la veuve Vauquer nourrissait le désir quelque peu intéressé de se marier avec lui. Mais après une malheureuse affaire dont la veuve Vauquer a injustement rejeté la faute sur M. Goriot, celle-ci s'est mise à développer une certaine aversion pour lui et à entreprendre quelques mesquineries à son égard. C'est elle, en particulier, qui lui a donné le surnom de « Père Goriot » en remplacement de « M. Goriot ». Les médisances répétées de la veuve Vauquer à son sujet feront de lui le souffre-douleur de la pension. Son caractère taciturne n'arrange pas les choses et laisse le champ libre aux allégations les plus fantaisistes, comme un supposé libertinage ou une prétendue déficience mentale. Logent également dans la pension d'autres personnes, comme mademoiselle Michonneau ou monsieur Poiret. Horace Bianchon fait partie des pensionnaires « externes » abonnés pour le dîner.
Rastignac, le héros du roman, a le grand rêve de s'intégrer dans la haute société. Il y fait ses premiers pas au bal d'une cousine, la vicomtesse de Beauséant. C'est pendant cette soirée qu'il rencontre Anastasie de Restaud, qu'il ne sait pas encore être la fille aînée du Père Goriot. Plein d'espoir, il décide de rendre visite à Madame de Restaud, mais multiplie les maladresses qui lui fermeront la porte de la comtesse. Il décide alors de partir chez sa cousine, la vicomtesse de Beauséant, et de lui demander conseil. Celle-ci lui apprend que Madame de Restaud est une des filles du père Goriot. Elle décide de le prendre sous son aile, lui explique qu'il lui faudra abandonner la morale pour parvenir à ses ambitions, et lui propose de se rapprocher de Delphine de Nucingen, une autre fille du père Goriot qui lui servira de tremplin pour intégrer la haute société. Afin de séduire cette dernière, Eugène demande de l'argent à sa famille, certes déjà pauvre, mais dont il sait que son amour pour lui la poussera tout de même à se sacrifier. Un peu plus tard, Vautrin lui fera la même leçon cynique que la vicomtesse de Beauséant, mais en proposant cette fois à Eugène d'épouser Victorine Taillefer (aussi pensionnaire de la Maison-Vauquer). Victorine est la fille d'un riche banquier, mais celui-ci dédie toute sa fortune à son fils aîné, qui ne donne aucune rente à sa sœur. Vautrin suggère donc de s'en débarrasser en arrangeant un duel entre lui et un autre homme qui lui doit des faveurs. Eugène est outré par cette proposition, refuse, et fait la résolution de ne plus compter que sur sa vertu et son travail pour parvenir à ses ambitions. Mais cette résolution est vite oubliée, et les paroles de Vautrin se bousculent dans son esprit. Il rencontre Delphine de Nucingen au théâtre, et est persuadé, à tort, de lui avoir fait une somptueuse impression.
Un peu plus tard, les pensionnaires apprennent que Vautrin, ou Jacques Collin de son vrai nom, est en réalité un maître criminel surnommé Trompe-la-Mort. Vautrin s'arrange cependant pour que son ami tue le frère de Victorine ; mais il est capturé par la police.
Le père Goriot éprouve un amour intense et presque maladif à l'égard de ses deux filles, pour lesquelles il a dépensé toute sa fortune dans l'intention de les rendre heureuses. Mais en tant qu'ancien de la Révolution française, la présence du père Goriot, en cette période de Restauration de la monarchie, devenait gênante aux yeux de ses gendres. Ces derniers sont donc parvenus à pousser les filles du père Goriot à le renier, non sans la complicité de Goriot lui-même. Il est furieux de la manière dont elles sont traitées par leurs maris. Il est enthousiasmé par l'intérêt de Rastignac pour sa fille Delphine et achète même un appartement pour eux deux, afin de les rapprocher, espérant qu'ils s'entichent l'un de l'autre et se mettent en couple, ce qui lui permettra de voir sa fille plus souvent.
Quand son autre fille, Anastasie de Restaud, l'informe qu'elle se trouve obligée de vendre la bijouterie familiale de son mari pour payer les dettes de son amant, le père Goriot est accablé de chagrin par sa propre impuissance et subit un accident vasculaire cérébral.
Delphine ne vient pas voir son père sur son lit de mort, et Anastasie arrive trop tard. Avant de mourir, dans une crise de désespoir mêlée de lucidité et de rage, Goriot maudit ses filles ingrates tout en les recommandant à Rastignac et en finissant, dans son dernier soupir, par bénir les absentes qu'il n'a jamais cessé d'aimer. Seuls Rastignac et un domestique de la Maison-Vauquer nommé Christophe assistent aux funérailles. Les filles de Goriot, plutôt qu'être présentes à l'enterrement, envoient leurs voitures vides, chacune arborant les blasons respectifs de leur famille.
Après la courte cérémonie, Rastignac se tourne face à Paris, alors que les lumières du soir commencent à apparaître, et dit majestueusement : « À nous deux maintenant ! » ; puis il s'en va dîner chez Delphine.