Dans sa préface, Fontenelle annonce son projet : parler de science sans pédanterie, pour les gens du monde, et en particulier pour les femmes. Le livre prend ensuite la forme d’une lettre à un certain Monsieur L…, à qui le narrateur raconte les conversations qu’il a eues, un automne, avec la marquise de G… dans son château, toujours le soir, dans le parc.
Premier soir. Sous un ciel étoilé, le narrateur avoue sa « folie » : il imagine que chaque étoile pourrait être un monde. La marquise veut en savoir plus. Il définit la philosophie par la curiosité de l’esprit et la faiblesse de nos yeux, compare la nature à un opéra dont on cache les machines, puis oppose le système de Ptolémée, encombré de cercles, à celui de Copernic, qui place le Soleil au centre et fait tourner la Terre sur elle-même et autour de lui. La marquise objecte, comprend vite, et choisit avec lui le système le plus simple.
Second soir. La Lune ressemble à la Terre : c’est un corps solide qui renvoie la lumière du Soleil, avec des montagnes et peut-être des mers ; elle est donc peut-être habitée. Pour le faire admettre, le narrateur imagine un bourgeois de Paris qui, du haut de Notre-Dame, ne voit personne à Saint-Denis et en conclut que la ville est vide. Il explique les phases et les éclipses, se moque des terreurs qu’elles ont causées, et ose prédire qu’on volera un jour jusqu’à la Lune, comme on a fini par traverser l’océan.
Troisième soir. Le narrateur se reprend : la Lune n’a peut-être ni eau ni nuages, et ses habitants seraient alors très différents de nous. Il apprend à la marquise à ne donner qu’une moitié de son esprit à ce qu’elle croit. Le microscope montre des animaux invisibles dans une goutte d’eau : la nature met la vie partout, et il est vraisemblable que les autres planètes soient habitées par des êtres que nous ne savons pas imaginer. Pour le faire sentir, il décrit un peuple étrange, qui se révèle être celui des abeilles.
Quatrième soir (voie générale). Le narrateur passe en revue Vénus, Mercure, Mars, Jupiter et Saturne, imagine leurs habitants selon leur distance au Soleil, et explique les tourbillons de Descartes, qui rendaient compte alors du mouvement des planètes.
Cinquième soir (voie générale). Les étoiles fixes sont autant de soleils, chacun au centre d’un tourbillon peuplé de planètes. La marquise est saisie de vertige devant un univers si grand qu’elle s’y perd. Le narrateur parle de la Voie lactée, des comètes, des étoiles qui apparaissent ou s’éteignent, et montre, par l’apologue des roses qui croient leur jardinier éternel, que le ciel lui-même peut changer.
Sixième soir (voie générale). Ajouté en 1687, il se passe longtemps après les autres : la marquise a défendu les mondes habités devant des visiteurs sceptiques. Le narrateur explique pourquoi l’opinion est vraisemblable, mais difficile à faire croire, puis présente des observations récentes, sur la Lune, sur la Terre, sur Jupiter et sur Saturne.