Действие начинается в Копенгагене около 1830 года, и первые главы представляют собой настоящий шедевр описания среды: копенгагенская Круглая башня с хранителем обсерватории и его семьей, которые живут там на самом верху, детство маленького Нильса высоко над крышами домов и внизу, на Кёбмагергаде; знакомство у входа в башню с пирожницей, о которой он с содроганием узнает, что она продала свой скелет лекарю и тем самым обрекла себя Дьяволу, или, вернее, Смерти; дружба со студентами из университетского общежития, для которых он служит мальчиком на побегушках; печальная трагедия повседневности, когда умирает больная мать, а отец вскоре после этого погибает в уличном происшествии. Это увертюра, а вслед за ней разворачивается сюжет. Пожилой священник из района Химмельбьергета, приехавший в гости к одному из студентов, берет на себя заботу о сироте Нильсе, мальчик попадает в Ютландию и получает воспитание в семье честного священника, в доме, где на всем лежит печать старомодной богобоязненности. Нильс хороший мальчик, а порядочная жена священника охотнее взяла бы более нравственно развращенного приемыша, «которого она могла бы вести к добру, наставлять и воспитывать, имея радость на земле и вознаграждение на небесах». Ее мужа не сделали пробстом — для нее это ясный признак, что в мире нет справедливости, и она лелеет небесную мечту о скором Судном дне — она охотно увидела бы некоторых своих знакомых в геенне огненной, если не навечно, то хотя бы на некоторое время.
Мальчик вырастает среди чудной ютландской природы с ее вересковыми зарослями, лесами, сверкающими озерами и горой Химмельбьергет на заднем плане, он знакомится со славными бедняками и удивительными цыганами. Идет время, умный мальчик много читает, учится у священника и наконец едет в Копенгаген сдавать экзамен на аттестат зрелости и изучать богословие. «Не забывай „Отче наш“, это молитва и путеводная нить всей нашей жизни», — говорит на прощание священник.
Но во время учебы Нильс знакомится с точными науками и с идеями материализма и все дальше и дальше уходит от своей детской веры. Приехав в родной дом, в усадьбу священника, он вступает в спор с приемным отцом — это великолепная сцена: вспыльчивый и упрямый юный Монтень против честного человека старой веры, который не хочет, чтобы сын пошел на поводу у новомодного безверия. Нильс возвращается в Копенгаген и, бросив богословие, начинает заниматься медициной.
До этой точки сюжета Андерсен показывает себя с самой лучшей стороны: хорошо построенное повествование, яркие и оригинальные типажи. Но дальше писатель теряет нить рассказа. Начиная с этого места, он то и дело прерывает себя рассуждениями и дискуссиями о материалистических идеях и в то же время не может не упрекать собственного героя в высокомерии и заблуждениях. В виде партнера для споров вводится новый персонаж — еврейская девушка Эстер. Она противоположность Нильсу, но в остальном бесцветная и скучная фигура. Постепенно столь же скучным становится и Нильс. В их длинных разговорах (куда вдруг неожиданно вплетается длинный и совершенно ненужный пересказ второй части «Фауста» Гёте) каждый из них только является рупором собственного мировоззрения. Она религиозна, а он отстаивает материализм. Но вот Нильс — полевой врач. Он принимает участие в войне 1848 года, его ранят, но в последний момент спасают от неминуемой смерти на поле боя и тем самым учат верить в бога. Но несмотря на длинные споры с Эстер, он не верит в личное бессмертие. Эту веру он обретает, только когда Эстер, которую он любит, уносит эпидемия холеры 1853 года. Тоска по ней, ощущение ее присутствия в его воспоминаниях в конце концов приводят его к идее вечной жизни. Теперь он увидел настоящее место науки: она дает людям познать законы природы, которые суть божьи мысли; «но законы любви в мире Духа недоступны науке. На земле мы в состоянии постичь, что есть земля; только в мире высшего духа мы обретаем надежду и веру».
Далеко не всех читателей убедил легкомысленный рассказ об обращении главного героя. Действительно, при ближайшем рассмотрении кажется, будто свою веру в бессмертие он получил в подарок от писателя, который на протяжении всего романа не раз давал почувствовать, что результат предопределен заранее. Многие критики того времени рассматривали книгу как неудачу; английский рецензент счел неразрешимой задачу доказать в романе бессмертие души. Безусловно, так оно и есть. Доказательство не годится. Но здесь происходит то же, что и в «О.Т.» и «Только скрипач»: хотя целое не удалось, остаются отдельные части.