Truyện nhảy giữa ngược dòng, hồi tưởng và hiện tại. Dưới đây là tình tiết theo thứ tự trước sau.

Vào Cách mạng Văn hóa, Diệp Văn Khiết, sinh viên tốt nghiệp ngành vật lý học thiên văn từ Trường đại học Thanh Hoa, thấy tận mắt cha cô bị Hồng Vệ binh từ Trường trung học Thanh Hoa đánh chết trong phiên phê phán đấu tranh, được cả mẹ lẫn em gái tán thành. Khiết bị vu là kẻ phản bội và phải đi lao động ở Nội Mông. Nơi đây, cô kết bạn với nhà báo chính phủ và đồng ý viết giùm y bức thư gửi chính phủ nêu chân tơ kẽ tóc các gợi ý chính sách dựa trên quyển Silent Spring mà cô đã đọc, nhưng Khiết bị nhà báo phản bội và phải khép án tù sau khi bức thư bị chính phủ xét là phiến động. Trong tù, cô được Dương Vệ Ninh và Lôi Chính Thành tuyển, hai nhà vật lý học quân sự. Nguyên là Ninh và Thành làm việc cho Red Coast, chương trình ​​bí mật của Trung Quốc muốn dùng sóng điện vô tuyến tần suất cao làm hỏng các vệ tinh do thám mà cần kiến thức chuyên ngành của Khiết. Cô phát hiện rằng sóng vô tuyến có thể được khuếch đại bằng cách lợi dụng các hốc vi sóng trong mặt trời. Khiết gửi một thông điệp đi vũ trụ. Tám năm sau, tình yêu vợ chồng cho Ninh đã tắt, Khiết nhận được tin từ một người hành tinh ngoài chủ hòa có quan tâm từ hành tinh Trisolaris, răn cô chớ hồi âm, còn không thì người Trisolaris sẽ định vị và xâm lược Trái Đất. Người hành tinh ngoài cũng mô tả môi trường và lịch sử xã hội của Trisolaris. Nhưng vì vừa bất mãn với sự hỗn loạn chính trị vừa chán ghét loài người nên Khiết mời họ đến Trái Đất mà giải quyết các vấn đề của hành tinh. Cô giết Ninh và Thành để giữ kín thông điệp của người hành tinh ngoài.

Sau khi Cách mạng Văn hóa đã chấm dứt, Khiết về Trường đại học Thanh Hoa làm lại giáo sư. Cô gặp Mike Evans, là con trai của Giám đốc điều hành công ty dầu lớn nhất trên thế giới và cũng là người bảo vệ môi trường với chống kỳ thị loài giống. Thấy là Evans cũng hận loài người, Khiết thổ lộ các sự kiện ở Red Coast với anh. Evans dùng tiền thuê người và mua chiếc tàu khổng lồ mà anh biến thành quần thể di động kiêm trạm nghe. Khi nhận được tin từ Trisolaris chứng thực câu chuyện của Khiết, Evans thành lập Tổ chức Trái Đất – Trisolaris (ETO) nửa kín nửa mở làm nội gián cho Trisolaris và chỉ định Khiết làm người cầm đầu. Theo thông điệp, quân Trisolaris đã khởi hành, nhưng sẽ không đến Trái Đất đến 450 năm sau. Hội kín thu hút nhiều nhà khoa học, quan chức cấp thấp và những người có học thức khác, đều thất vọng với thế giới. Tổ chức mộ được đội quân riêng và thậm chí còn chế tạo ra các vũ khí hạt nhân nhỏ. Tuy nhiên Evans vẫn giữ quyền quản lý phần lớn tiền bạc nhân lực vật liệu và bắt đầu sửa đổi các thông điệp và không cho Khiết và những người khác đọc thư người hành tinh ngoài. Ngoài ra, tổ chức chia thành ba phe: phái Adventists do Evans lãnh đạo, muốn Trisolaris diệt tuyệt nhân loại; phái Chuộc thế do Thân Ngọc Phi lãnh đạo, muốn giúp người Trisolaris giải quyết vấn đề tam thể là tai họa của hành tinh họ; và thiểu phái Sinh tồn, muốn giúp người Trisolaris để cho con cháu họ được sống trong lúc mọi người khác chết.

Hiện tại, Uông Diễu là giáo sư công nghệ nano được mời hợp tác cùng Sử Cường là tay thám tử xảo quyệt để điều tra cái chết đáng ngờ của vài nhà khoa học. Họ nhận thấy rằng chính phủ của các nước đang liên lạc chặt chẽ với nhau và đã tạm gác hiềm khích giữa nhau để sửa soạn chiến tranh. Vài ngày tiếp theo, Diễu ảo giác quái lạ. Ông thấy là mọi người đều chơi trò chơi điện tử hiện thật ảo tinh vi tên là Tam thể — do ETO sáng tạo làm công cụ tuyển mộ — mà bản thân ông cũng bắt đầu chơi. Tam thể mô tả hành tinh có khí hậu biến đổi ngẫu nhiên giữa Ổn thời và Loạn thời. Vào Loạn thời, thời tiết dao động khó lường giữa cực lạnh và cực nóng, có lúc trong chỉ vài phút. Người hành tinh, trong trò chơi là có thân người, cố dự đoán Loạn thời để có thể sinh tồn tốt hơn. Khác với con người, chúng có khả năng đặc biệt là thải nước thành cuộn vải để tránh Loạn thời và cần chỉ người khác tái cấp nước để chúng có lại thân mình. Các nhân vật giống Aristotle, Mặc Tử, Newton và những người khác đều cố dự đoán khí hậu và đều thất bại trong lúc nhiều nền văn minh nổi dậy và đều bị đại họa xóa sổ. Diễu được hoan nghênh khi tìm ra nguyên do khí hậu biến đổi. Nguyên là hành tinh Trisolaris có ba mặt trời và chúng có thành phần khác nhau. Lúc ở xa bề mặt hành tinh thì chỉ lõi của mặt trời mới có thể xuyên qua khí quyển, trên bề mặt hành tinh nhìn giống ngôi sao bay trên bầu trời. Ổn thời đến khi hai mặt trời ở xa và Trisolaris xoay quanh mặt trời thứ ba, Loạn thời đến khi Trisolaris bị ít nhất hai mặt trời thu hút. Bão lửa xảy ra khi hai hoặc cả ba mặt trời đều ở gần bề mặt hành tinh, nếu ba ngôi sao đều bay thì sẽ có lạnh buốt vì ba mặt trời đều ở xa. Sau cùng ba mặt trời sẽ xếp hàng và hành tinh Trisolaris sẽ lao vào mặt trời gần nhất và bị hủy diệt. Trò chơi cho thấy người Trisolaris đóng thuyền và khởi hành xâm lược Trái Đất, tin rằng quỹ đạo ổn định của hành tinh sẽ nảy ra sự thịnh vượng vô tiền và cho phép họ thoát hành tinh họ.

Diễu được kết nạp vào ETO và phát giác cho Cường một cuộc họp của tổ chức, dẫn đến Quân đội Giải phóng Nhân dân và đội quân của hội đánh nhau. Khiết bị bắt giữ. Quân Trung Quốc cùng quân Mỹ do Đại tá Stanton chỉ huy phục kích tàu của Evans ở kênh đào Panama. Để ngăn thuyền viên cắt đứt liên lạc của họ với quân Trisolaris, Cường gợi ý dùng dây tóc bằng vật liệu nano của Diễu trong hàng rào để nhanh cắt chiếc tàu và giết mọi người trên tàu, vì tài liệu và máy tính bị cắt có thể được khôi phục sau này. Dùng dữ kiện trên tàu, Diễu và Cường phát hiện là người Trisolaris có công nghệ pico cực kỳ tiên tiến, cho phép họ tạo ra siêu máy tính mười một chiều được gọi là sophon. Khi nhìn trong ba chiều, máy chiếm chỉ thể tích của một proton. Hai sophon đã được gửi đến Trái Đất, có khả năng khiến con người ảo giác, do thám bất cứ nơi nào trên Trái Đất, và truyền tình báo cho quân Trisolaris bằng cách dùng rối lượng tử. Máy sophon đặc biệt có thể vô hiệu hóa mọi máy gia tốc hạt của Trái Đất, do quân Trisolaris lo sợ rằng nhân loại sẽ sáng tạo công nghệ đủ tiên tiến để chống xâm lược mà quyết định là làm máy gia tốc hạt đưa ra kết quả ngẫu nhiên sẽ câu đủ giờ cho quân Trisolaris đổ bộ. Sau khi vài sophon đến, họ dự tính tạo ra phép màu thị giác và các ảo giác khác trên quy mô lớn để khiến loài người nghi ngờ các nhà khoa học. Mưu kế bị bại lộ, quân Trisolaris gửi thông điệp cuối cùng "Chúng mày là sâu bọ!" đến Quân đội Giải phóng Nhân dân và cắt liên lạc. Khiết, hiện tại bị giam giữ, được thăm Red Coast. Cô suy ngẫm các lựa chọn trong quá khứ và nhận thấy rằng nhân loại từ nay đã bước vào vòng phong trần. Cường tìm thấy Diễu và những đồng nghiệp của anh nhậu nhẹt chán nản. Anh chở họ về làng quê của anh ở Đông Bắc Trung Quốc và giải muộn họ bằng cách trỏ ra rằng bất chấp mọi tiến bộ thuốc trừ sâu mà con người đã đạt được, con châu chấu nhỏ bé vẫn tồn tại và nảy nở được. Có hy vọng mới, Diễu cùng Cường về Bắc Kinh để giúp lập kế hoạch kháng chiến chống Trisolaris.