文化大革命時期，一個探索外星人是否存在的絕密工程（紅岸工程），直屬中共中央最高層領導。目睹了作為清華大學物理教授的父親被紅衛兵批鬥而死，並受到牽連的天體物理學女大學生葉文潔因機緣巧合進入該絕密基地。在偶然发現了太陽的增益反射後，她私下利用該原理兩次向宇宙中发出了包含地球信息的電波，信息被距地球最近的恒星系統上的居民——三體人收到，從此，三體世界和地球世界建立了聯系。

三體世界是一個地球人完全無法想像的生存環境極端嚴酷的世界。三體世界有三個質量相差不大的“太陽”，根據牛頓運動定律，這三個太陽的運動軌跡是完全不可預測的（詳見三體問題）。而三體人所在的行星被這三個“太陽”的引力交互作用，導致該行星的軌道高度混沌：當行星被一個“太陽”捕獲並圍繞之旋轉時，三體人會暫時獲得一段穩定的发展期，三體人稱之為“恒紀元”。當行星未能被一個“太陽”捕獲，太陽升落毫無規律時，這段時期被稱為“亂紀元”。為此，三體人進化出了在亂紀元來臨時脫水的本能以應對危機。但這並不總是有效的，由於三個“太陽”運行無規律，當行星過於靠近“太陽”時，會因為溫度過高而表面熔化；過於遠離“太陽”時溫度又會過低；更可怕的是，當行星同時靠近幾個“太陽”時，會因為引力的撕扯導致星體分裂。以上幾種原因使三體文明毀滅了數百次。但尤為恐怖的是，因為相對“太陽”來說，行星的質量太小，最終會因為軌道的混亂而掉落到“太陽”中去，使三體人和三體文明永遠消失。對於三體人來說，宇宙移民是唯一的選擇。三體社會時刻面臨毀滅的危機，因而進化出了高度極權的社會體製和完全不同於地球道德文化的價值觀，因為唯有這樣，才能生存。

當人類社會和三體社會建立聯系後，由一群對人類文明、破壞自然不滿的人发起而成立了一個地球三體組織，旨在毀滅地球文明，迎接三體文明。葉文潔是該組織的精神領袖。同時，三體世界為保證順利向地球移民，消滅地球社會和地球人類，利用“智子”技術（將單個質子從九維展開至二維並雕刻成智能計算機）幹擾人類的高能物理試驗，將人類的高等科學研究鎖定，使之停滯不前。三體組織也在此時暗殺全球的科學家。為吸收會員，三體組織開发了《三體》遊戲。與此同時，各國政府也組成聯盟應付可能的危機。主人公汪淼進入了該遊戲並深入到三體組織內部。汪淼聯合警探史強，在多國部隊協助下，於巴拿馬運河以納米線割毀了三體組織的總部——“審判日”號輪船，最終擊垮了三體組織。後來，多國政府在俘虜葉文潔後，通過審訊及從“審判日”號中取得的硬盤獲知三體文明的詳細資料。但地球科技的发展已經被“智子”鎖死無法发展，而三體人的移民已經開始，450年後，三體人將降臨地球，人類必須為此開始準備。