Als Nathanael zu seinem Wohnhaus im Studienort zurückkehrt, muss er feststellen, dass es niedergebrannt ist. Sein neues Zimmer liegt gegenüber der Wohnung von Professor Spalanzani und Nathanael kann daher direkt in Olimpias Zimmer blicken, beachtet sie aber zunächst kaum.

Eines Tages bekommt er erneut Besuch von Coppola. Obwohl Nathanael inzwischen weiß, dass er nicht Coppelius sein kann, kostet es ihn Überwindung, seine Angst und Abscheu beiseitezuschieben. Doch als Coppola ihm »sköne Oke« verkaufen will, die Nathanael für Augen hält, verliert er die Fassung. Coppola holt zahlreiche Brillen hervor und bedeckt den Tisch damit. Daraufhin glaubt Nathanael, ihn würden tausend Augen ansehen und dabei krampfhaft zucken. Sogleich bricht Panik in ihm aus und er herrscht Coppola an, aufzuhören. Dieser lacht hämisch, steckt die Brillen wieder ein und zeigt Nathanael stattdessen ein Perspektiv. Jetzt beruhigt sich Nathanael wieder und er besinnt sich auf die Worte Claras, denen zufolge er sich den Spuk nur eingebildet haben muss und Coppola wohl doch ein ehrlicher Mann ist.

Als er das Perspektiv prüft und damit aus dem Fenster sieht, fällt sein Blick auf Olimpia, die er nun zum ersten Mal von Nahem sieht. Er ist entzückt von ihrer Schönheit und selbst ihre Augen, die ihm zuvor kalt und leblos vorkamen, scheinen an Sehkraft und Lebendigkeit zu gewinnen. Coppola verlangt drei Dukaten für das Perspektiv. Nachdem Nathanael bezahlt hat, verlässt Coppola lachend das Zimmer und Nathanael äußert den Verdacht, ihm das Perspektiv zu teuer bezahlt zu haben. Er blickt weiter durch das Perspektiv auf Olimpia und kann sich nicht von ihr losreißen, bis ihn sein Freund Siegmund abholt. Als Nathanael zurückkehrt, ist die Gardine an Olimpias Fenster zugezogen, sodass er nicht mehr ins Zimmer sehen kann. So bleibt es auch an den folgenden Tagen, was ihn vor Sehnsucht fast in den Wahnsinn treibt, da er sich in sie verliebt hat.

Dann erfährt er, dass Spalanzani einen Ball gibt, auf dem er Olimpia der Gesellschaft vorstellen will, und besorgt sich voller Vorfreude eine Einladung. Auf dem Ball erscheint Olimpia tatsächlich. Es gibt an ihr jedoch ein paar Auffälligkeiten, die den Anwesenden seltsam vorkommen, aber letztlich ignoriert werden. Während Olimpia Klavier spielt und singt, sieht Nathanael, der weit hinten steht, sie erneut durch sein Perspektiv an. Er sieht, wie sie ihn sehnsüchtig anschaut. Als er schließlich mit Olimpia tanzt, fühlt sich ihre Hand eiskalt an, doch als er in ihre Augen sieht und darin große Liebe und Sehnsucht zu erkennen glaubt, scheint ihre Hand warmzuwerden und er glaubt zudem, einen Puls zu spüren. Er wirbt um Olimpia und macht ihr Liebesgeständnisse, auf die sie nur mit einem seufzenden »Ach – Ach – Ach« reagiert, was ihn noch mehr entzückt. Als das Fest endet und sie sich trennen müssen, küsst Nathanael Olimpia auf die kalten Lippen, die ebenfalls erst unter seiner Berührung zum Leben erwachen und warmzuwerden scheinen.

In den Tagen nach dem Ball muss Nathanael mitanhören, wie die Gesellschaft über Olimpia spottet und sie wegen ihrer Steifheit und Schweigsamkeit als stumpfsinnig bezeichnet. Er ärgert sich darüber und ist der Meinung, dass die anderen Menschen nicht intelligent genug sind, um Olimpias tiefsinniges Gemüt zu erkennen. Sein Studienfreund Siegmund versucht, ihn zu warnen und in die Realität zurückzuholen, indem er ihm erklärt, dass er und viele andere Olimpia unheimlich finden, da sie nicht wirklich lebendig wirke und sich sehr mechanisch und unnatürlich bewege. Aber Nathanael besteht darauf, dass nur ein poetischer Denker wie er die tiefe Bedeutung hinter Olimpias wenigen Worten entschlüsseln und verstehen könne.

Nathanael hat nun Clara und seine Familie komplett vergessen und lebt nur noch für Olimpia. Diese hört stundenlang konzentriert seinen Gedichten zu. Obwohl sie nie etwas anderes sagt als »Ach, Ach«, glaubt er, die tiefsinnigsten Gespräche mit ihr geführt zu haben. Er beschließt um ihre Hand anzuhalten, aber auf dem Weg zu ihr hört er einen Streit in Spalanzanis Studierzimmer, der von seltsamen Geräuschen begleitet wird. Er erkennt die Stimmen Spalanzanis und Coppelius. Als er eintritt, sieht er, wie Coppola und der Professor sich um Olimpia streiten und an ihr zerren. Als Nathanael Olimpia retten will, schafft Coppola es, sie Spalanzani zu entreißen und ihn zu Boden zu schleudern, woraufhin er lachend mit Olimpia flüchtet. Der am Boden zerstörte Nathanael sieht ihm nach und erkennt, dass Olimpia die Augen fehlen und sie nur eine Holzpuppe ist. Der verletzte Spalanzani klagt, Coppelius habe ihm sein bestes Automat geraubt, der sein Lebenswerk gewesen sei, und fordert Nathanael auf, Olimpia zurückzuholen. Dann wirft er ihm die blutigen Augen der Puppe zu, die gegen seine Brust prallen. Da verfällt Nathanael dem Wahnsinn, stürzt sich auf den Professor und versucht, ihn zu erwürgen, was aber von durch den Lärm angelockten Männern verhindert wird. Der um sich schlagende Nathanael wird daraufhin in eine Nervenklinik gebracht.

Diesem Skandal folgend muss Spalanzani die Universität verlassen und wird von der Gesellschaft dafür geächtet, dass er ihnen einen Bären aufgebunden und seinen Automaten als Mensch ausgegeben und in ihre Mitte eingeschleust hat. Nun ist die Angst groß, dass sich noch mehr Automaten unter ihnen befinden und viele Frauen geben sich Mühe, besonders menschlich zu wirken und Fehler zu machen, um nicht in Verdacht zu geraten. Neben Spalanzani verschwindet auch Coppola aus der Stadt.

Nathanael erwacht in seinem Elternhaus, umringt von seiner Familie und seinem Freund Siegmund, die sich freuen, ihn wieder bei sich zu haben. Unter ihrer Pflege wird er schnell wieder gesund und sein Verstand scheint wieder vollständig geheilt zu sein. Kurz darauf verstirbt ein entfernter Verwandter und hinterlässt der Mutter sein Vermögen und ein kleines Gut in der Nähe der Stadt, in das die Familie nun ziehen möchte. Auch Nathanael will sich ihnen anschließen und zudem Clara endlich heiraten.

Nathanael und Clara beschließen bei einem Spaziergang, ein letztes Mal auf den Ratsturm zu steigen, während Lothar unten wartet, und genießen die Aussicht. Dann macht Clara eine Bemerkung über einen grauen Busch, der sich auf sie zuzubewegen scheint. Nathanael greift sogleich automatisch nach Coppolas Perspektiv und schaut hindurch auf Clara. Plötzlich verfällt er erneut dem Wahnsinn und hat sich nicht mehr unter Kontrolle. Schauderhaft lachend versucht er, Clara vom Turm zu werfen. Ihr gelingt es jedoch, sich mit aller Kraft am Geländer festzuklammern. Lothar hört am Fuße des Turms das Gebrüll des Wahnsinnigen und die angstvollen Schreie Claras und eilt seiner Schwester zu Hilfe. Er schafft es trotz plötzlich verschlossener Türen im letzten Moment, Clara zu retten und flieht mit ihr nach unten. Nathanael springt indessen immer noch im Wahn auf dem Turm herum. Auf dem Platz vor dem Turm hat sich inzwischen eine Menschenmenge versammelt, in deren Mitte sich auch Coppelius befindet. Als einige auf den Turm steigen wollen, um Nathanael zu überwältigen, verspottet er sie und meint, er werde schon von selbst herunterkommen. Als Nathanael Coppelius in der Menge entdeckt, springt er schließlich mit den Worten »Ha! Sköne Oke – Sköne Oke« vom Turm. Als er auf dem Boden aufschlägt, ist Coppelius in der Menge verschwunden.

Einige Jahre später soll Clara mit einem anderen Mann verheiratet und mit zwei Kindern doch noch ihr bürgerliches Glück gefunden haben, das Nathanael ihr nie hätte bieten können.

Dass Nathanaels Wohnhaus niederbrennt und sein neues Zimmer direkt gegenüber von Olimpias liegt, scheint ein sehr großer Zufall zu sein und kommt Coppola sehr gelegen. Als dieser wieder vorbeikommt und versucht, Nathanael »sköne Oke« zu verkaufen, glaubt dieser, es handle sich um Menschenaugen und gerät aufgrund seines Kindheitstraumas in Panik. Als Coppola jedoch Brillen hervorholt und auf dem Tisch ausbreitet, glaubt Nathanael, flammende Blicke und blutrote Strahlen, die in seine Brust schießen, zu sehen. Dies erinnert ihn an die augenlosen Gesichter im Qualm während des Experiments und an Claras Schicksal in seinem Gedicht, weshalb er erneut in Panik gerät.

Als er zum ersten Mal durch das Perspektiv blickt und Olimpia sieht, erwacht sie unter seinen Blicken zum Leben und ihre Augen gewinnen an Sehkraft. Aber in Wahrheit wird durch das Perspektiv seine Wahrnehmung verzerrt und es sind eigentlich seine eigenen Blicke, die sich in ihren Augen spiegeln. Der Kauf des Perspektivs ist ein Handel mit dem Teufel, was auch Nathanael selbst ahnt, als er meint, er habe das Perspektiv zu teuer bezahlt. Das ist nicht nur in Bezug auf das Geld wahr, denn er verliert durch den Erwerb des Perspektivs die Zuverlässigkeit seiner Augen, später seinen Verstand und schließlich sein Leben, was durch seinen »Todesseufzer« bereits angedeutet wird.

Auf dem Ball macht Nathanael Olimpia sofort Liebesgeständnisse, obwohl er sie dort zum ersten Mal persönlich trifft. Er hat sie idealisiert und all seine Sehnsüchte auf sie projiziert, wodurch er glaubt, sie schon zu kennen. Er beobachtet nicht mehr, sondern sieht nur noch das, was er sehen will und ignoriert alle Warnsignale.

Hier vergisst er erstmals seine Ängste, obwohl die Angst vor dem Verlust seiner Augen berechtigt war. Der Verlust der Augen ist nämlich gleichzusetzen mit dem Verlust der Sinne und des Verstandes/der Vernunft (vgl. Zahn). Seine Befürchtung bewahrheitet sich nun. In der Kindheit versuchte Coppelius, Nathanael seine physischen Augen zu rauben, als Erwachsener wird ihm von Coppola die Fähigkeit genommen, die Realität wahrzunehmen. Es hat also ein metaphorischer Diebstahl seiner Augen stattgefunden.

Während Nathanael sich von niemand anderem verstanden fühlt, ist Olimpia eine stumme Zuhörerin und scheint ihm stets zuzustimmen. Er fühlt sich von ihr verstanden und ernst genommen und verliebt sich schließlich in sie. Sie ist jedoch nur ein Spiegel seiner selbst, eine leere Holzpuppe, in die er seine eigene Seele und Gefühle hineinprojizieren kann, wodurch sie ihm lebendig erscheint. Er verliebt sich also in sich selbst, denn nur er selbst kann verstehen, was in ihm vorgeht. Er verfällt dem Narzissmus.

Während seine Besessenheit von Olimpia stärker wird, schwindet zunehmend sein Bezug zur Realität und er vergisst Clara und Lothar. Er versinkt in der Welt, die er für sich in seiner Fantasie geschaffen hat. Als ihm klar wird, dass Olimpia eine Puppe ist und er sich alles nur eingebildet hat, bricht diese Welt in sich zusammen. Olimpias Augen, die gegen seine Brust prallen, erfüllen seine Prophezeiung aus dem Gedicht: Er wird in den Feuerkreis eingeschlossen und verfällt dem Wahnsinn.

Die Wiedervereinigung mit seiner Familie lässt auf ein glückliches Ende hoffen, das dem Leser jedoch verwehrt bleibt. Claras Bemerkung auf dem Turm über den grauen Busch, der sich auf sie zubewegt, und der dadurch lebendig erscheint, weckt bei Nathanael eine Assoziation mit Coppelius, der immer ganz in Grau gekleidet war. Durch sein Trauma fremdgesteuert, greift er »mechanisch« nach Coppolas Perspektiv und als er Clara dadurch ansieht, wird er erneut wahnsinnig. Das Perspektiv hat erneut seine Wahrnehmung verzerrt, sodass er nun Clara für eine Puppe hält und sie vom Turm werfen will.

Bis zum Ende bleibt unklar, ob Coppelius und Coppola ein und dieselbe Person sind oder nicht. Dafür spricht, dass Spalanzani Coppola Coppelius nennt, nachdem dieser die Puppe gestohlen hat, und dass Nathanael von draußen Coppelius Stimme erkennt, drinnen aber Coppola vorfindet. »Diese Szene wird allerdings aus Nathanaels Perspektive erzählt und ist mit […] Skepsis zu betrachten, wie [seine] Kindheitserinnerungen« (Göbel 15). Der Leser muss dies also für sich selbst entscheiden. Für Nathanael jedoch sind die beiden ohne jeden Zweifel ein und dieselbe Person und verkörpern den Sandmann. Dies erkennt man daran, dass Nathanael kurz vor seinem Selbstmord Coppelius in der Menge erkennt und mit Coppolas Worten »Ha! Sköne Oke – Sköne Oke« vom Turm springt. Wenn Coppola und Coppelius in Wirklichkeit der Sandmann sind, lässt das nur eine Schlussfolgerung zu: »Es gibt eine überirdische Konspiration gegen den wehrlosen Protagonisten« (Göbel 15).