Tras el impacto de un asteroide con Italia a mediados del siglo XXI, la humanidad decidió estar preparada para detectar con antelación semejantes peligros, por lo que posee un avanzado sistema de detección temprana de asteroides. Gracias a éste, se detecta un peculiar asteroide, que parece venir de fuera del sistema solar y estar cruzándolo a gran velocidad con rumbo rectilíneo, para atravesarlo. Cuando se encuentra más cerca, y después de haber recibido el nombre de Rama en honor al dios hindú del mismo nombre, se descubre que es perfectamente cilíndrico (50 km de largo, 8 de radio de las bases) y que tiene un movimiento de rotación muy rápido. Estas dos características, llevan a la obvia conclusión de que su creación se debe a una raza alienígena, y de que hay que interceptarlo a todo riesgo.
Para ello, se envía allí a una de las naves disponibles ya en viaje por el sistema solar, la más cercana, en misión de exploración, y como embajadores en un posible contacto. Una vez allí, la nave se sitúa sobre la base del cilindro que está delante en el movimiento. Pronto descubren tres escotillas de apertura manual totalmente iguales y dispuestas simétricamente sobre el círculo. Entran por una ellas para descubrir que el interior de Rama está hueco y en absoluta oscuridad. Desde el punto por el que aparecen, el centro de esa cara del cilindro, parten tres escaleras (también simétricamente separadas 120 grados) hacia lo que pasan a denominar la planicie curvada, la cara interior de la curva del cilindro, que por efecto de la rotación del mismo, proporciona una sensación de pseudo-gravedad. Con potentes focos, consiguen explorar el interior de Rama desde su posición en el eje del mismo, y encuentran que la planicie está dividida en dos por un ancho mar, también circular, y ahora congelado. La atmósfera dentro es apenas notoria, y deben permanecer con trajes espaciales. Sobre la superficie hay estructuras similares a ciudades, con algo que parecen edificios, y tres largos valles longitudinales con el cilindro, dispuestos también con simetría a lo largo de la planicie. Hay una isla en el mar, con otra de esas misteriosas ciudades: tras explorar alguna de ellas, descubren que nada de lo que parecen edificios tiene ni puertas ni ventanas visibles.
La fría y dormida nave Rama empieza a despertar pronto. Los tres valles resultan ser grandes focos alargados que se encienden poco a poco para iluminar el interior del lugar. Además, el congelado mar, que ha estado recibiendo poco el calor del Sol que se filtraba desde la parte exterior hacia dentro de la nave, acaba deshelándose con gran estruendo: cuando el agua de abajo se licúa ocupa menos espacio y la capa de hielo superficial queda en el aire, hasta que se fractura y cae sobre el mar debajo. En este mar, se da un proceso acelerado en el que una legión de microorganismos generan gases adecuados para una atmósfera respirable (también para los humanos) Rama parece estar ya en marcha, aunque su propósito es desconocido.
Aunque construyen una balsa para alcanzar y explorar la isla del mar, les resulta imposible llegar a la otra orilla, porque la altura de la tierra en esa orilla del mar en ese lado es de medio kilómetro. Sin embargo, uno de los tripulantes, mediante un ultraligero que llevaba en su equipaje para un nuevo deporte en la gravedad lunar, se ofrece voluntario para cruzar Rama a través de su eje, donde no hay gravedad. Al llegar al otro lado, puede explorar un gran pináculo que sale de la otra base del cilindro, rodeado simétricamente de otros seis menores. Llegan a la conclusión de que es el sistema de propulsión de la nave. Éste parece activarse repentinamente mientras el tripulante lo sobrevuela, y una de las descargas eléctricas que saltan entre los pináculos, le alcanzan, obligándole a aterrizar en la orilla inaccesible de Rama.
En ese otro lado, la superficie de Rama está parcelada en muchos cuadrados con objetos y diseños diferentes, y finalidades totalmente desconocidas. En ese lado, el joven se encuentra con un gran robot que recoge los restos de su aparato y los tritura, pero parece no prestarle atención a él. Sus compañeros usan la balsa para ir a recogerle, lo cual implica que él ha de saltar el acantilado hasta el mar.
Tras regresar a la orilla conocida del mar, se encuentran en ella con un nuevo tipo de robot más pequeños y con simetría axial triple (lo cual, como ya han advertido, es un rasgo general de Rama), que tampoco les prestan mucha atención. Dado que al encenderse los motores de la nave, esta ha cambiado su rumbo para acercarse más al Sol, la tripulación decide ir alejándose. En esta parte de la historia, además han de desactivar un misil nuclear lanzado por el gobierno de Mercurio por ver a Rama como una amenaza. No abandonan la misteriosa nave sin acceder por la fuerza a uno de los misteriosos edificios: en su interior, descubren una especie de banco de datos, con modelos tridimensionales de objetos, robots, y quizá de seres vivos, que presumiblemente está listos para ser generados y puestos en Rama, aunque eso nunca llega a ser visto en la novela.
Una vez abandonada la nave, observan como ésta se acerca peligrosamente al Sol para, aparentemente, aprovisionarse de energía (tomándola directamente de la fuente) Después de esto, contemplan asombrados como Rama, sin prestar mayor atención a la especie humana, cuyo sistema ha cruzado y utilizado sin más, pone rumbo de nuevo a las estrellas, para desaparecer de la vista de los tripulantes a una velocidad inimaginable. Todo parece haber terminado. Sin embargo, la reflexión final de un científico es que los Ramanes (como se les llamó a los hipotéticos constructores) lo hacían todo por triplicado, lo cual predispone a pensar que dos naves más estarían por venir.