Le narrateur de Fight Club (Edward Norton), dont le nom est inconnu, est un employé de bureau, sous-directeur expert en assurances et en accidents de voitures. Trentenaire célibataire, souffrant d'insomnie chronique et désillusionné par la vie, il recherche une façon de s'évader de son existence monotone. Son docteur refuse de l'assister par médication mais lui suggère d'assister à des thérapies de groupes contre diverses maladies ou troubles pour relativiser son état de souffrance causée par son insomnie. Le narrateur rejoint un groupe de victimes du cancer des testicules et s'aperçoit que se faire passer pour une victime lui permet de soigner son problème récurrent d'insomnie. Il intègre alors d'autres groupes d'entraide mais s'aperçoit qu'une femme, Marla Singer (Helena Bonham Carter), participe comme lui à toutes les thérapies de groupes. Incommodé par la présence d'un autre imposteur, son insomnie réapparait. De ce fait, il négocie avec Marla les différentes séances hebdomadaires afin qu'ils ne se retrouvent plus dans les mêmes groupes.

En revenant d'un voyage d'affaires, le narrateur fait la connaissance dans l'avion de Tyler Durden (Brad Pitt), un charismatique vendeur de savon qui lui laisse son numéro. De retour chez lui, le narrateur retrouve son appartement détruit par une explosion. Il décide de téléphoner à Tyler et les deux hommes se rencontrent dans un bar. Leur discussion sur le matérialisme amène le narrateur à se faire inviter à dormir chez Tyler. En sortant du bar, ce dernier propose au narrateur de le frapper. Après une certaine hésitation, le narrateur frappe Tyler : les deux hommes entament un combat derrière le bar. Ils partent ensuite tous deux s'installer dans le manoir délabré où vit Tyler. Les jours suivants, les deux hommes prennent l'habitude de se battre derrière le bar, ce qui finit par attirer l'attention de quelques personnes qui demandent à participer. Tyler et le narrateur décident alors de former le Fight Club, un cercle exclusivement composé d'hommes, axé autour de combats ultra-violents se déroulant dans les sous-sols du bar.

Peu à peu, avec la compagnie de Tyler Durden, le narrateur découvre une nouvelle façon de vivre et de voir les choses. Tous deux espèrent ainsi trouver leur liberté face à la prison de la réalité à travers le Fight Club (club de combat) underground qu'ils ont créé, où l'homme peut être ce que le monde lui refuse d'être ; combattre à mains nues leur permet également de relativiser l'importance des choses qui les entourent. Mais bientôt, le Fight Club et leurs canulars inoffensifs les conduisent dans un cercle vicieux de faits et de comportements devenus incontrôlables qui inquiètent le narrateur.

La dernière trouvaille s'appelle Le Projet Chaos, qui a pour règle primordiale l'interdiction de poser de question à son sujet. Les choses s'accélèrent lorsqu'il découvre avec horreur que Tyler et lui sont en fait la même personne subissant un dédoublement de personnalité. Embarqué dans un dialogue avec son autre lui-même dans lequel il ne se reconnait plus, il tente de discuter les actions de plus en plus antisociales. Le projet a pour but de faire sauter les immeubles des sociétés financières, effaçant ainsi toute trace des données bancaires des citoyens. Se rendant à la police pour se dénoncer, il découvre que son organisation a infiltré le milieu policier. Parvenant à s'échapper du commissariat où les officiers voulaient le séparer de son scrotum, il se rend sur les lieux des immeubles minés où l'attend Tyler. Il essaye ensuite de désamorcer l'un des explosifs de l'opération, mais Tyler l'en empêche. S'ensuit alors un combat entre les deux protagonistes dans les parkings de l'immeuble, que les caméras de surveillance révèlent être un affrontement imaginaire entre les deux personnalités du narrateur. Finalement, son "double maléfique" l'emporte.

À son réveil, le narrateur est assis dans un fauteuil au dernier étage d'un immeuble d'où lui et Tyler peuvent admirer l'aboutissement du Projet Chaos. Paniqué par la vitesse des évènements et son impuissance face à la gravité de la situation, il s'engage dans un dialogue avec lui-même, tentant désespérément de raisonner Tyler. Mais celui-ci dénigre ses suppliques avec mépris, insultant et crachant contre la société ingrate et dérisoire que le narrateur s'obstine à défendre. Alors que le compte à rebours se rapproche de plus en plus de la fin, le narrateur, parvient à reprendre le dessus sur son adversaire. Il se tire dans la bouche avec un revolver, imaginant que c'est Tyler qui se tire lui-même dans la tête, ce qui tue ce dernier. L'instant d'après, il est rejoint par ses hommes de main ainsi que par Marla, enlevée sur les ordres de Tyler. Ce dernier disparu, le narrateur demeure seul avec Marla et la réconforte. Tandis que s'effondrent sous leurs yeux les bâtiments représentant le monde de la finance, le narrateur prend la main de Marla et lui dit : "Tu m'as rencontré à un moment étrange de mon existence". Le film se clôt sur ces paroles.