很久以前，武陵郡有个以打鱼为生的人。他每天摇着小船出门，沿溪撒网，再顺流回家。某一天，他为了追逐一群游鱼，不知不觉划进一条从未走过的水道。两岸渐渐变窄，水面被山影罩住，船行许久，四周竟看不见一户人家。
正当渔人想要掉头时，前方忽然出现一片桃林。桃树沿溪铺展，夹岸数百步，枝头桃花盛开，落英飘在水面，红粉花瓣随着流水轻轻打转。林中没有别的树木，也没有杂草和枯枝，花香清甜，仿佛春天只留在这片山谷里。渔人看得出神，忘了归路，索性继续向前划去，想看看桃林究竟通向哪里。
桃林到了尽头，溪水从一座山脚下流出。山上有个小洞，洞口起初只容一人侧身，里面隐约透出微光。渔人把船系在岸边，弯腰走进洞中。洞道十分狭窄，最初只能勉强通过，走了几十步后，眼前忽然豁然开朗：一大片平坦开阔的土地展现在山中，远处田畴整齐，近处池塘清澈，房屋沿着道路错落而建。
那里的人正在耕田、种桑、养蚕，田埂间有孩子追逐嬉戏，鸡犬声从村舍后面传来。道路彼此相通，田地里稻禾青青，村边还有竹林和果树。男人扶犁耕作，妇人提篮采桑，老人坐在屋檐下说话。每个人穿戴朴素，神情安宁，见到陌生的渔人，都停下手里的活计，好奇地围拢过来。
村人询问渔人从哪里来。渔人说明自己沿着溪流捕鱼，误入桃林，又从洞口走进山谷。听到外界的消息，他们既惊讶又亲切，邀请他到家中坐下。主人拿出酒水和饭菜款待，桌上有新米做的饭、腌好的鱼和自家种的蔬菜。渔人一路奔波，吃得格外香；主人则不断追问山外的城镇、道路和人们的生活。
交谈中，渔人才知道，这里的先人曾为躲避战乱，带着家人和乡邻进入山中。他们偶然发现洞穴深处有一条通道，便沿着通道来到这片土地，从此定居下来。山外的世事变化太多，他们渐渐与外界断绝来往，后代只听过古老的年号，却不知道后来朝代怎样更替，也不知道如今外面由谁治理。村人世世代代在这里生活，耕种、婚嫁、生儿育女，把外面的纷乱留在了山外。
渔人在村里住了几日。家家户户都邀请他吃饭，村人轮流讲述祖辈的故事，也想从他口中听到外界的新鲜事。有人带他走过稻田，有人领他看山泉与果园。渔人发现，村中并非没有烦恼：遇上风雨，屋顶会漏；田里收成不好，大家也要节省粮食。但人们彼此照应，谁家忙不过来，邻里便主动帮忙，日子虽平常，却过得安稳踏实。
临别时，村人郑重叮嘱渔人，不要把这里的所在告诉外人。他们担心一旦有人循路前来，宁静的生活便会被打破。渔人答应下来，告别村民，沿着原路穿过洞穴，回到溪边。他重新找到自己的小船，顺水而下，沿途仔细辨认方向，还在路旁做了记号，生怕忘记这条通往山谷的路。
回到家后，渔人心里始终放不下那片桃林和山中村落。他把经历告诉了郡里的长官。长官听后十分好奇，派人和渔人一起出发寻找桃花源。渔人按照记号前行，却发现溪流、山路和树木仿佛都变了模样。众人找了许久，怎么也找不到当初的桃林与洞口。先前留下的记号不知何时消失，熟悉的水道也把他们带向别处。
此后，再没有人找到那个山谷。有人说桃花源藏在山腹深处，有人说渔人只是偶然走进了一个与世隔绝的村落；对渔人而言，那段经历却真实得无法忘记。桃花落在水面、洞中豁然开朗、村人设宴相待的情景，常常在他脑海里浮现。只是当他再想沿溪寻找，山洞始终没有出现。
桃花源洞穴的故事，便在渔人的归来与寻访无果中结束。洞穴是通往秘境的入口，也是外界与村中生活之间的界线；渔人短暂走过这道界线，见到一个远离战乱、依靠劳作与互助生活的村落，却无法把它带回现实。从此，桃花源成了人们心中那处隐秘而安宁的所在。