La novela se ubica en los albores de la Revolución francesa y comienza con estas palabras, unas de las más famosas y constantemente citadas de la literatura:

«Era el mejor de los tiempos, era el peor de los tiempos, la edad de la sabiduría, y también de la locura; la época de las creencias y de la incredulidad; la era de la luz y de las tinieblas; la primavera de la esperanza y el invierno de la desesperación. Todo lo poseíamos, pero no teníamos nada; caminábamos en derechura al cielo y nos extraviábamos por el camino opuesto. En una palabra, aquella época era tan parecida a la actual, que nuestras más notables autoridades insisten en que, tanto en lo que se refiere al bien como al mal, sólo es aceptable la comparación en grado superlativo.».
La novela comienza con la joven Lucie Manette que, junto al señor Lorry (antiguo empleado de su padre), rescata a su padre a quien creía muerto y lo lleva a vivir a Inglaterra, tras pasar 18 años recluido y olvidado en la prisión de la Bastilla, donde fue encerrado en el calabozo 105 de la torre norte por la sanguinaria familia de los Ebremont.

Cinco años después, Lucie y su padre presencian el momento en que un noble francés acusado de espionaje llamado Charles Darnay es declarado inocente en una corte inglesa. En dicho juicio, Charles fue ayudado por Sidney Carton, un abogado de malas maneras que tiene fama de borracho y antiguo pretendiente de Lucie, quien ha hecho trizas su talento y sigue estando enamorado de ella.

Unos meses más tarde, en la víspera de la boda de Charles y Lucie, el abogado Carton la visita mientras este no está en su casa y le promete, sabiendo que su corazón le pertenece a Charles, que dará su vida por ella, o por alguien a quien ella ame. Dicho esto, se retira, no sin antes hacerle prometer que lo recordará como el hombre bueno y digno que alguna vez fue.

El día de la boda con Lucie, Charles Darnay le confiesa al padre de su futura esposa, que su verdadero nombre es Ebremont y que es el último descendiente de aquella familia aristocrática y asesina, pero que reniega de serlo.

La noticia de la boda de Charles Darnay llega a oídos de Defarge (un tabernero de París) y de su esposa, quienes planean acabar con toda la estirpe de los Ebremont.

Es el año 1789 y mientras Lucie cuida de la hija que ha tenido con Charles, Saint Antoine es tomado por una turba de gente armada, que grita ¡a la Bastilla! ¡a la Bastilla!. La infame prisión ha sido tomada, la revolución francesa ha comenzado y Defarge, que luchaba como soldado, obliga a uno de los carceleros a llevarlo al calabozo 105, torre norte, donde encuentra y toma un rollo de papeles que pertenecieron al presidiario que ahí estuvo.
Así, los años de terror que se pensaba serían los de bondad y paz, comienzan en Francia el 14 de julio de 1789.

Dos años después, Charles Darnay debe ir a París para salvar a uno de sus servidores que ha sido injustamente acusado. Pero al llegar a París es tomado prisionero, sin derechos, debido a una ley que condena a todos los emigrados a la pena de muerte si regresan a Francia, y conducido a la prisión por el tabernero Defarge, quien es ahora uno de los líderes. Charles es juzgado, junto con miles de personas inocentes que son decapitadas diariamente en Francia, pero gracias a su suegro el doctor Manette (considerado héroe civil por haber sido preso en la Bastilla), es liberado. Sin embargo, horas más tarde, Darnay es nuevamente capturado y encarcelado, sin que el doctor Manette pueda hacer nada para ayudarlo.

Defarge ha denunciado a Darnay y, en el juicio, revela el rollo de papeles que encontró en la prisión de la Bastilla, en el que el doctor Manette revelaba haber sido llamado por los Ebremont para curar a una niña, a cuya familia habían asesinado. Cuando el doctor Manette se lo contó a las autoridades, los Ebremont lo secuestraron, encerrándolo en la prisión por 15 largos años. Desde ese día, el doctor Manette juró acabar hasta con el último de los culpables de su desgracia: los Ebremont, y lo dejó escrito en aquella carta. Denunciado por el padre de su esposa, Darnay es encarcelado, para morir en la guillotina dentro de 24 horas.

Lucie se desmaya después de hablar con su esposo y es ayudada por el abogado Carton, quien ha presenciado todo y ahora le recuerda la promesa que le hizo: la promesa de dar su vida en cualquier momento, por ella, o por alguien a quien ella amara.

Hecho esto, Carton se dirige disfrazado a la taberna de Defarge, donde escucha una reveladora conversación entre Defarge y su esposa. Entonces se descubre que ella era aquella niña sobreviviente de la masacre y que su odio profundo hacia los Ebremont la llevaba a vengarse hasta del último de sus descendientes. Después de oír esto, el abogado Carton ve entrar a uno de los que acusó a Charles Darnay, y lo chantajea diciéndole que, si le deja entrar a la prisión donde está Darnay, él no lo acusará con las autoridades por ser un doble espía entre las dos ciudades (París y Londres).
El espía acepta, y luego Carton vuelve con Lorry y el doctor Manette, que no pueden hacer nada para ayudar a Charles. Carton le dice al señor Lorry que siga sus instrucciones sin preguntar nada, y le da un salvoconducto que permite al doctor salir de París con su hija y nieta. Luego le da otro salvoconducto que está a nombre de Sidney Carton y le pide que él y los demás lo esperen al día siguiente a las 2 de la tarde para irse juntos de París antes de las ejecuciones.

Al salir, el abogado Carton echa una última mirada a la ventana del cuarto de Lucie y, al día siguiente, se dirige al lugar donde está encerrado Charles. Al entrar, cambia sus ropas con las de Charles, luego lo deja inconsciente y le dice al espía que le diga a los guardias que el abogado Carton se ha desmayado al ver al prisionero, y que se lo lleven adonde lo esperan el señor Lorry, el doctor Manette y su hija.

Las horas transcurren lentas y fúnebres, hasta que Carton oye que todos los calabozos se abren y es llevado a la sala donde están todos los condenados a muerte: "desde el rico propietario de 50 años a quien sus riquezas no lo pueden salvar, hasta la costurerita de 16 años, a quien su oscuridad y pobreza no pueden evitarle la muerte. Carton hace amistad con ella y la niña queda admirada ante la valentía de ese hombre, que va a entregar la vida para darle una mejor a las personas a quienes quiere.

Mientras el señor Lorry, el doctor Manette y su nieta abandonan París, Lucie descubre que el hombre que está desmayado en la parte trasera del carruaje no es Sidney Carton, sino su esposo, Charles Darnay. Al comprender todo, "rompe a llorar de desesperación y de esperanza, de terror y de gratitud".

Campesinos, elegantes señoras y todo tipo de público, se divierten presenciando las 52 ejecuciones de esa tarde, todos maldiciendo al supuesto Charles Darnay, que sostiene la mano de la costurerita todo el tiempo, incluso al acercarse a la guillotina, que comienza a funcionar. El momento se acerca más y más, Carton y la costurerita se besan en la boca (deseando reunirse en el más allá) y luego la pequeña emprende el viaje eterno, seguida de Sidney Carton, quien en sus últimos momentos, ve el futuro de las personas por las que ha dado su vida.