Pai e Filhos conta a história de dois jovens, Arkady e Bazarov. Arkady é filho de um rico proprietário de terras e Bazarov, de um médico. Eles se conhecem na universidade e se tornam amigos devido à crença de ambos no niilismo – a ideia de que nada importa além de praticidade e fatos.
A história começa quando Arkady volta para a propriedade de seu pai, Nickolai. Bazarov se junta a ele para a visita. Nickolai e Bazarov entram em conflito, e Nickolai não entende as novas e confusas crenças do filho.
Certa noite, em uma festa, os dois amigos conhecem uma viúva rica chamada Anna. Ela é jovem e sente falta de amigos de sua idade, então convida Arkady e Bazarov para ficar com ela e a irmã, Katya, em sua casa de campo.
Com o passar do tempo, Bazarov percebe que está apaixonado por Anna e luta contra seus sentimentos. Como niilista, a ideia de amor e romance é uma coisa boba e inútil. No entanto, certa noite, ele diz a Anna o que está sentindo e ela se afasta, deixando-o arrasado.
No dia seguinte, Bazarov volta para a casa dos pais. Arkady vai com ele, embora tenha começado a se apegar a Katya. Na casa de Bazarov, Arkady fica agradavelmente surpreso ao ver como os pais de seu amigo são calorosos e amorosos. E estão orgulhosos e muito emocionados com a volta do filho. Arkady os acha um casal adorável, mas Bazarov fica perplexo com tudo aquilo. Logo, eles decidem voltar para a casa de Arkady para que Bazarov possa continuar seus estudos em paz e sossego e se tornar médico.
Semanas depois, Arkady percebe que o pai não pode mais administrar a propriedade sozinho. E decide ficar para ajudar. Mas decide também pedir Katya em casamento. Ele receia contar seus planos ao amigo. Embora ainda acredite em alguns dos princípios do niilismo, ele se preocupa com sua família e está apaixonado.
Bazarov fica feliz pelo amigo e decide voltar a morar com os pais para ajudá-lo com as consultas médicas. Depois de visitar uma família doente, Bazarov adoece também. E, quando parece que não vai se recuperar, ele pede para chamarem Anna. Ela vem ao seu encontro e admite ter errado ao deixá-lo partir. Ela também o amava. No entanto, achava que tinha que se casar com alguém rico para fazê-la feliz. Mas é tarde demais. Bazarov morre.
Arkady e Katya se casam e vivem felizes na propriedade de Nickolai.