Российский император Александр Павлович после Венского совета, на котором были подведены итоги войны 1812 года с Наполеоном, отправляется в путешествие по Европе. Везде ему показывали разные диковинки, которыми император восхищался. Но донской атаман Платов, находившийся при нём в поездке, не разделял мнения царя. Он считал, что русские мастера ничуть не хуже иностранных. В конце турне царь приезжает в Англию.
Англичане стали показывать русскому царю свои технические достижения. Александр был в восторге от иностранной науки. Платов же всячески старался английских мастеров принизить, доказывая, что русские их во всём обошли. Так, англичане показали царю «пистолю» тонкой работы «неизвестного, неподражаемого мастера». Государь опечалился, что русские такое чудо создать не способны. А Платов открыл у пистоли замок и показал, что сделал её «Иван Москвин во граде Туле». Такое открытие привело англичан в замешательство, и они решили создать такое чудо техники, против которого и Платову возразить было бы нечего.
Утром русский царь и Платов поехали смотреть сахарный завод, а затем их привели в «последнюю кунсткамеру, где у них со всего света собраны минеральные камни и нимфозории». Здесь Александру показали созданную английскими мастерами в натуральную величину заводную механическую блоху. Она могла прыгать и танцевать. Восхищённый император вручил англичанам миллион, а они ему за это подарили это чудо техники. Уложил государь блоху в футляр, сделанный из бриллианта, опустил его в табакерку и отбыл на Родину.
До самой смерти Александра оставалась блоха в табакерке. Когда он умер, её передали его жене Елизавете Алексеевне, а от неё она досталась новому императору, Николаю Павловичу. Вначале царь блохой не заинтересовался, но затем стал думать, для чего она у брата Александра столько лет хранилась.
Никто не мог разгадать эту загадку, пока не прибыл во дворец старый донской атаман Платов. Он отдал Николаю «мелкоскоп», взятый когда-то у английских мастеров, и царь увидел, как прыгает стальная блоха. Но в отличие от Александра новый царь перед иностранцами не преклонялся. Поручил он Платову поехать к русским мастерам, чтобы они постарались создать что-нибудь более удивительное, чем английская блоха.
Исполняя волю государя, поскакал Платов в Тулу, которая славилась оружейными мастерами. Оружейники взялись исполнить приказание, но попросили донского атамана оставить им блоху на несколько дней. Сколько Платов не выпытывал, они не сказали ему, что придумали. Ничего не добившись, атаман отправился на Дон, оставив удивительную блоху тульским мастерам.
Когда Платов уехал, три самых искусных оружейника, среди которых был и «косой левша, отправились прочь из города. Люди стали гадать, куда они пошли. Многие подумали, что мастера ничего не придумали, и, чтобы избежать наказания, решили скрыться, прихватив с собой царскую табакерку. Мастера отправились в город Мценск Орловской губернии, чтобы поклониться иконе Николая Чудотворца. Помолившись, вернулись они к себе в слободу и заперлись в доме Левши. Соседям было очень любопытно, что делают мастера. Под разными предлогами они пытались выманить троих оружейников из дома. Но ни одна попытка не увенчалась успехом. Мастера никому не открывали и ни с кем не разговаривали, работая днём и ночью. Закончив переговоры на Дону, Платов поспешил обратно в Тулу. Мастера в это время заканчивали свою работу. Сколько курьеры к ним не стучали, они их в дом не пустили. Тогда, чтобы добраться до упрямых оружейников, курьеры сняли с дома крышу. После этого Левша с товарищами вышли из избы и сообщили, что работу свою закончили и могут идти к Платову. Подали оружейники атаману стальную блоху в табакерке. Тот начал их расспрашивать, где же их работа. Но они, обидевшись на оскорбления, сказали, что только государь её увидеть сможет. Разозлённый Платов, бросил Левшу в свою повозку и увёз его с собой в Петербург. По приезде сам он пошёл к Николаю Павловичу, а мастера оставил внизу со связанными руками. Платов надеялся разговорами о казаках отвлечь царя от блохи. Но ему это не удалось. Николай вспомнил о поручении, и велел принести работу тульских мастеров. Платов рассказал, что туляки ничего нового не создали, а вернули обратно английскую блоху. Государь не мог поверить этому и решил сам убедиться в словах атамана.
Когда принесли блоху и завели её ключом, оказалось, что «нимфозория» перестала прыгать. Платов был в бешенстве. Он решил, что оружейники сломали механизм. Пошёл атаман к лестнице, где Левшу оставил, и стал его бить, называя обманщиком. Левша же утверждал, что работа сделана, но увидеть её можно только в «мелкоскоп». Привели Левшу к царю, и показал он, в чём заключалась работа оружейников. Оказывается, они сумели английской блохе набить на ножки подковы. Государь удивился и обрадовался, что его русские мастера сумели англичан превзойти. Решил Николай отправить мастера в Англию, чтобы он свою тонкую работу показал иностранным мастерам. Одели его получше и отправили за границу с особым курьером. Оставил курьер Левшу в гостинице. А сам унёс блоху мастерам. Узнали мастера, кто сумел блоху подковать, и пришли к мастеру в гостиницу. Три дня они его поили и кормили, а потом стали расспрашивать об образовании. Оказалось, что мастер учился «по Псалтирю и Полусоннику», а арифметики совсем не знает. Отправили англичане курьера домой, а Левшу стали по заводам водить и уговаривать, чтобы он у них остался. Но Левша тосковал по родной Туле и просил, чтобы его отпустили обратно. Посадили английские мастера оружейника на корабль и отправили в Россию, дав на дорогу денег и подарив на память золотые часы. На корабле Левше показалось скучно, и он заключил пари с полшкипером, что перепьёт его. Пили они до самого конца плавания, отчего оба заболели, но никто в выигрыше не оказался. В России полшкипера привезли в английское посольство, где организовали ему прекрасные условия. А Левшу, ослабевшего, не способного даже разговаривать, доставили в квартал. Там его обобрали и решили отправить в какую-нибудь больницу на лечение. Поскольку у оружейника не было с собой «тугамента», ни в одной больнице его не приняли. К утру стало ясно, что Левша долго не проживёт, и его отвезли умирать в Обухвинскую больницу для простонародья. Полшкипер очень беспокоился о своём друге. Чудом он отыскал Левшу в больнице и добился, чтобы к нему прислали доктора. Умирающий мастер просит Мартын-Сокольского сказать государю, что «у англичан ружья кирпичом не чистят». Доктор пытается донести слова Левши до Чернышёва, но его никто не слушает, и чистка оружия кирпичом продолжается вплоть до начала войны. В конце повествования автор размышляет о талантах, подобных Левше. В век машин они почти исчезли с русской земли, но память о них живёт вечно.