Jacques Saunière, người quản lý nổi tiếng của Bảo tàng Louvre tại Paris, bị một tu sĩ mắc chứng bạch tạng thuộc dòng Opus Dei tên Silas bắn tử thương, sau khi ép buộc Saunière phải tiết lộ một bí mật nào đó. Biết được bí mật của mình có thể bị mất đi vĩnh viễn, Saunière tìm cách chuyển lại bí mật này. Thi thể của Saunière được tìm thấy sâu trong Bảo tàng Louvre trong tư thế tương tự như bức tranh nổi tiếng Người Vitruvius (Vitruvian Man) của Leonardo Da Vinci, với một thông điệp bí ẩn viết cạnh, và một hình sao năm cánh (ngũ giác) vẽ trên bụng bằng máu.

Robert Langdon, giáo sư môn "Biểu tượng Tôn giáo" (Religious Symbology) tại Đại học Harvard, lúc này đang có mặt tại Paris tham gia một buổi thuyết trình. Ông được cảnh sát Pháp mời đến để giúp giải thích những dấu hiệu đặc biệt mà Saunière để lại trước khi chết, nhưng thực ra Langdon bị tình nghi là hung thủ vì dòng chữ để lại: "P.S. Find Robert Langdon". Sophie Neveu, chuyên viên giải mã của cảnh sát Pháp đồng thời là cháu nội của nạn nhân, xuất hiện để cứu Langdon khỏi sự nghi ngờ của cảnh sát và tìm hiểu bí mật mà Saunière muốn truyền lại.

Để truyền lại thông điệp, Saunière áp dụng những suy luận về các trò chơi đảo lộn chữ cái (anagram), các con số Fibonacci và cách "chơi chữ" bằng nhiều ngôn ngữ đã thất truyền hay hình ảnh lật ngược qua kính. Đáp án cuối cùng có liên quan mật thiết đến địa điểm cất giấu Chén Thánh (Sangreal, Holy Grail) và của một hội kín bí mật là tu viện Sion (Priory of Sion) và Hiệp sĩ dòng Đền (Knights Templar).

Qua những ký hiệu được Saunière dấu trong các tác phẩm Mona Lisa và bức tranh lân cận, Langdon và Sophie lấy được một chìa khóa của một két sắt ký gửi tại Ngân hàng Ký gửi Thụy Sĩ, và ở đây họ tìm được một chiếc hộp mật mã, có thể là một bản đồ dẫn tới chiếc Chén Thánh.

Tạm thời thoát khỏi sự theo dõi của cảnh sát, Langdon và Sophie mang hộp mật mã đến nhà Sir Leigh Teabing, một người bạn của Langdon đồng thời là một chuyên gia nghiên cứu về Chén Thánh, người được phong tước Hiệp sĩ. Teabing đã giải thích rằng, qua những dấu hiệu trên bức tranh Bữa ăn tối cuối cùng, ông suy luận Chén Thánh thực ra không phải là một món đồ dùng mà muốn ám chỉ Mary Magdalene, người được xem là vợ của Giê-su và đã mang thai khi Giê-su bị đóng đinh. Bà được môn đệ đưa trốn sang Pháp và sinh con tại đó. Giáo hội Công giáo, nhằm mục đích cũng cố quyền lực, kể từ Công đồng Nicaea I đã ra sức xóa bỏ những chứng cứ liên quan và tiêu diệt mọi hậu duệ của dòng máu thánh này. Ngược lại, những thành viên Hiệp sĩ dòng Đền và tu viện Sion ra sức tìm kiếm và giữ gìn như một bí mật vĩnh viễn.

Ba người sau đó tháo chạy khỏi nước Pháp trên máy bay riêng của Teabing để đi sang nước Anh, nhiều khà năng là nơi cất giữ Chén thánh. Trên đường đi họ giải được mật mã của chiếc hộp, chính là tên của Sophie: "S-O-F-I-A". Bên trong họ tìm thấy một hộp mật mã nhỏ hơn cùng một thông điệp đầy ẩn ý hướng dẫn cách giải mã. Trên đường đi, Sophie kể cho Langdon nguồn gốc của sự bất hòa với Saunière khiến cô cắt đứt mọi liên lạc với ông nội mình. Mười năm trước đây, bất ngờ trở về nhà mà không báo trước, cô chứng kiến ông nội cô quan hệ với một phụ nữ trong một nghi lễ kỳ bí dưới hầm nhà, có sự tham gia của nhiều người mặc áo choàng và mang mặt nạ. Cô rất sốc trước cảnh tượng và quyết cắt đứt mọi quan hệ với ông mình. Langdon giải thích cho Sophie biết nghi lễ mà cô chứng kiến là một nghi lễ cổ xưa hieros gamos để tôn vinh sự sinh sản trong mùa Xuân, hay được biết như là "hôn lễ thánh", mà thành viên dòng Sion có thể tiếp tục duy trì thực hành. Nhờ sự tinh ranh khéo léo, Teabing đã giúp cho cả bọn thoát khỏi truy lùng của cánh sát Anh khi máy bay hạ cánh.

Ban đầu không hiểu hết ngụ ý trong thông điệp, Teabing cùng với Langdon và Sophie tìm đến đền thờ của các Hiệp sĩ dòng Đền, mong tìm ra tung tích của một hiệp sĩ được giáo hoàng chôn cất. Lúc này mới bộc lộ ra chân tướng thật của Teabing chính là "Thầy giáo"; chính ông đã đặt nhiều máy nghe lén hiện đại với mong muốn khám phá bí mật từ các thành viên cao cấp của dòng Sion, trong đó Saunière là Đại sư. Tham vọng sâu xa của Teabing là công bố bí mật về Chén Thánh để phá hoại Giáo hội Công giáo; do đó ông đã lôi kéo Giám mục Manuel Aringarosa, bề trên dòng Opus Dei, vào âm mưu tìm kiếm và phá hủy Chén Thánh, và Silas là đệ tử được giám mục sai đến giúp sức cho "Thầy giáo". Theo sự sắp đặt, Silas xuất hiện uy hiếp Sophie, và với sự giúp đỡ của người giúp việc Rémy Legaludec, đoạt lấy hộp mật mã nhỏ. Đạt được mục đích, Thầy giáo bán đứng Silas cho cảnh sát và tiếp tục thủ tiêu luôn Rémy, manh mối duy nhất biết rõ tung tích của mình, che đậy như một tai nạn tử vong do dị ứng. Trong diễn biến cuộc truy đuổi của cảnh sát sau đó, Giám mục Aringarosa bị thương do Silas bắn nhầm, trong khi bản thân Silas bị cảnh sát bắn tử thương.

Hiểu ra được ý nghĩa ẩn trong bốn câu thơ của thông điệp, Teabing lần đến tu viện Westminster, nơi chôn cất Sir Isaac Newton, người từng đảm nhiệm chức vụ Đại sư của dòng Sion. Tuy nhiên Teabing không đoán ra được mật khẩu của hộp mật mã nhỏ. Nhờ sự giúp đỡ tìm kiếm trên máy tính, sau cùng Langdon và Sophie cũng suy luận ra và có mặt tại đây, nơi họ bị Teabing dùng súng uy hiếp để mở thông điệp sau cùng. Langdon suy luận ra mật khẩu ám chỉ "quả cầu bị thiếu" là quả táo của Newton:"A-P-P-L-E", bí mật mở hộp lấy thông điệp viết trên giấy papyrus ra rồi ném hộp mật mã để đánh lừa Teabing. Cảnh sát ập đến ngay lúc đó, bắt giữ "Thầy giáo"; vào lúc này họ đã nắm được Teabing đứng phía sau mọi âm mưu lợi dụng Vatican và Opus Dei, gián tiếp gây ra năm vụ án mạng, trong khi Langdon và Sophie vô tội.

Thông điệp cuối cùng trong hộp mật mã nhỏ đã dẫn đưa hai người đến nhà thờ Rosslyn tại Edinburgh, Scotland, nơi từng là địa điểm cất giữ Chén Thánh. Quá khứ được làm sáng tỏ khi Sophie tìm lại được bà nội, Marie Chauvel, vốn là vợ của Saunière, và người em trai bị chia cắt sau khi cha mẹ họ thiệt mạng trong một tai nạn giao thông bí ẩn. Để bảo vệ những giọt máu hậu duệ cuối cùng của dòng máu thánh, dòng Sion buộc phải tách riêng hai chị em và sống riêng rẽ bí mật không tiếp xúc với nhau. Bà Marie Chauvel xác nhận với Langdon rằng Chén Thánh đã được dời tới một địa điểm mới hoàn toàn bí mật kể cả đối với bà.

Sau khi chia tay Sophie và ghé lại Paris trên đường quay trở về Hoa Kỳ, Langdon nghiệm ra Rose Line (đồng âm với Rosslyn) là đường kinh tuyến gốc cổ đi ngang Paris, và lần theo con đường này cuối cùng ông khám phá ra địa điểm thật cất giữ Chén Thánh là ngay bên dưới Bảo tàng Louvre, nơi có hình kim tự tháp đảo ngược. Nhà biểu tượng học người Mỹ đã quỳ gối trước phần mộ của Mary Magdalene, giống như các Hiệp sĩ dòng Đền ngày xưa đã làm.