Die Rahmenhandlung der »Schachnovelle« spielt sich an Bord eines Passagierdampfers im Jahr 1939 ab. Der Dampfer befindet sich auf dem Weg von New York nach Buenos Aires.
Die Novelle wird, in dem gegenwärtigen Handlungsstrang, aus der Ich-Perspektive eines anonym bleibenden Passagiers erzählt. Er erfährt durch die allgemeine Aufregung und das Getümmel, dass sich ein Prominenter an Bord befindet. Ein Freund erzählt ihm von dem amtierenden Schachweltmeister Mirko Czentovic und seiner Vorgeschichte. Czentovic stammt aus einfachen Verhältnissen und es ist allgemein bekannt, dass er nicht gebildet ist. Nach dem Tod seiner Eltern lebte er bei einem Pfarrer, wo sein Schachtalent zufällig entdeckt und als Inselbegabung betrachtet wurde. Dennoch weckte sein Talent allseits Interesse, was Czentovic den Weg zu einer Ausbildung in der Schachkunst ebnete. Von einem ausgezeichneten Meister wurde er in Wien unterrichtet. Als auffällig zeigte sich, dass Czentovic ohne jegliche Imaginationskraft an das Spiel heran ging und weiterhin plump und bäuerlich auftrat.
Die Erzählung seines Freundes weckt das Interesse des Ich-Erzählers, woraufhin er mit seiner Frau ein Schachspiel inszeniert, um Czentovics Aufmerksamkeit zu erregen. Dies gelingt zunächst nicht, jedoch lernt der Ich-Erzähler so den erfolgsorientierten Ölmillionär McConnor kennen. Dieser schafft es, Czentovic gegen ein Honorar von 250 Dollar zu einer Partie zu überreden. Während der Partie greift der österreichische Exilant und frühere Anwalt Dr. B. ein und verhilft McConnor zu einem Remis gegen den Schachweltmeister.
Der Ich-Erzähler kommt mit Dr. B. in ein Gespräch über sein herausragendes Schachtalent, woraufhin eine Rückblende die qualvolle Isolationshaft Dr. B.s. beleuchtet. Die Gestapo verordnete diese, um wichtige Informationen zu erpressen. Dr. B. beherrscht das Schachspiel, da er es sich während seiner Haft aus einer Not heraus mit einem gestohlenen Buch und dem Nachspielen von 150 Partien selbst beigebracht hat. In Folge einer Persönlichkeitsspaltung begann er zu dieser Zeit, Partien gegen sich selbst zu spielen und verlor den Kontakt zur Realität. Sein wahnhafter Zustand und die seelische Belastung führten schließlich, mit der Hilfe eines Arztes, zu seiner Entlassung.
In der Gegenwart wird Dr. B. zu einer Revanche gedrängt, bei welcher er alleine gegen Czentovic antreten soll. Bei dieser gewinnt er gegen den Weltmeister. Entgegen seiner vorherigen Ankündigung, nur eine Partie zu spielen, stimmt Dr. B. jedoch einem weiteren Spiel zu.
Beim Rückspiel verzögert Czentovic seine Züge absichtlich, weil er merkt, dass dies seinen Gegner nervös macht. Dr. B. kann schließlich nicht mehr zwischen dem realen Spiel und einer Partie aus dem Buch, die er noch immer im Kopf hat, unterscheiden. Er steigert sich in eine starke innere Erregung hinein und verfällt erneut in einen Wahn. Schließlich bietet er Czentovic schreiend Schach, obwohl er seinen König gar nicht bedroht.
Dem Erzähler gelingt es, Dr. B. aus seinem Wahn zurück in die reale Welt an Bord des Schiffes zu holen. Als er begreift, was passiert ist, zieht Dr. B. sich aus dem Spiel zurück und entschuldigt sich bei allen Beteiligten. Er kündigt an, nie wieder Schach spielen zu wollen. Czentovic quittiert die halb beendete Partie mit einer herablassenden Bemerkung. Die Novelle endet vor der Ankunft in Buenos Aires.
