Саня живет в Энске с родителями и сестрой Сашей. По нелепой случайности Саниного отца обвиняют в убийстве и арестовывают. О настоящем убийце знает только маленький Саня, но из-за немоты, от которой лишь позже избавит его чудесный доктор Иван Иванович, он ничего не может сделать. Отец умирает в тюрьме, через какое-то время мать выходит замуж. Отчим оказывается жестоким и подлым человеком, который мучает и детей, и жену.

После смерти матери тетя Даша и сосед Сковородников решают отправить Саню с сестрой в приют. Тогда Саня и его друг Петя Сковородников бегут в Москву, а оттуда — в Туркестан. «Бороться и искать, найти и не сдаваться» — эта клятва поддерживает их в пути. Мальчики пешком добираются до Москвы, но Петькин дядя, на которого они рассчитывали, ушел на фронт. После трех месяцев почти бесплатной работы у спекулянтов им приходится скрываться от проверки. Петьке удается бежать, а Саня попадает сначала в распределитель для беспризорников, оттуда — в школу-коммуну.

Сане нравится в школе: он читает и лепит из глины, у него появляются новые друзья — Валька Жуков и Ромашка. Однажды Саня помогает донести сумку незнакомой старушке, которая живет в квартире заведующего школой Николая Антоновича Татаринова. Здесь же Саня встречает Катю, хорошенькую, но несколько склонную «задаваться» девочку с косичками и темными живыми глазами. Через некоторое время Саня вновь оказывается в знакомом доме Татариновых: его посылает туда за лактометром, прибором для проверки состава молока, Николай Антонович. Но лактометр взрывается. Катя собирается взять вину на себя, но гордый Саня не позволяет ей это сделать.

Квартира Татариновых становится для Сани «чем-то вроде пещеры Али-Бабы с её сокровищами, загадками и опасностями». Нина Капитоновна, которой Саня вовсю помогает по хозяйству и которая кормит его обедами, — «сокровище»; Марья Васильевна, «ни вдова, ни мужняя жена», которая всегда ходит в черном платье и часто погружается в тоску, — «загадка»; а «опасность» — Николай Антонович, как выяснилось, двоюродный дядя Кати. Любимая тема рассказов Николая Антоновича — двоюродный брат, то есть муж Марьи Васильевны, о котором он «всю жизнь заботился» и который «оказался неблагодарным». Николай Антонович уже давно влюблен в Марью Васильевну, но пока та «безжалостна» к нему, скорее её симпатию вызывает иногда приходящий в гости учитель географии Кораблев. Хотя, когда Кораблев делает Марье Васильевне предложение, он получает отказ. В тот же день Николай Антонович собирает дома школьный совет, где Кораблев резко осуждается. Решено ограничить деятельность учителя географии — тогда он обидится и уйдет, Саня сообщает Кораблеву обо всем услышанном, но в результате Николай Антонович выгоняет Саню из дома. Обиженный Саня, заподозрив Кораблева в предательстве, покидает коммуну. Пробродив по Москве целый день, он совершенно разболевается и попадает в больницу, где его вновь спасает доктор Иван Иванович.

Прошло четыре года — Сане семнадцать лет. В школе идет представление инсценированного «суда над Евгением Онегиным», именно здесь Саня вновь встречает Катю и раскрывает ей свою тайну: уже давно он готовится стать летчиком. Саня наконец узнает от Кати историю капитана Татаринова. В июне двенадцатого года он, заехав в Энск попрощаться с семьей, вышел на шхуне «Св. Мария» из Петербурга во Владивосток. Экспедиция не вернулась. Мария Васильевна безрезультатно посылала прошение о помощи царю: считалось, что если Татаринов погиб, то по собственной вине: он «небрежно обращался с казенным имуществом». Семья капитана переехала к Николаю Антоновичу. Саня часто встречается с Катей: они вместе ходят на каток, в зоопарк, где Саня вдруг сталкивается со своим отчимом. На школьном балу Саня и Катя остаются наедине, но их разговору мешает Ромашка, который затем обо всем докладывает Николаю Антоновичу. Саню больше не принимают у Татариновых, а Катю отправляют к тетке в Энск. Саня избивает Ромашку, оказывается, и в истории с Кораблевым именно он сыграл роковую роль. И все же Саня раскаивается в своем поступке — с тяжелым чувством он уезжает в Энск.В родном городе Саня находит и тетю Дашу, и старика Сковородникова, и сестру Сашу, он узнает, что Петька тоже живет в Москве и собирается стать художником. Еще раз Саня перечитывает старые письма — и вдруг понимает, что они впрямую относятся к экспедиции капитана Татаринова! С волнением Саня узнает, что не кто иной, как Иван Львович Татаринов, открыл Северную землю и назвал её в честь своей жены Марьи Васильевны, что именно по вине Николая Антоновича, этого «страшного человека», большая часть снаряжения оказалась негодной. Строки, в которых прямо названо имя Николая, размыты водой и сохранились лишь в памяти Сани, но Катя верит ему.