Le titre prévu à l'origine était Athos, Porthos et Aramis, mais sur une proposition de Desnoyers, chargé du feuilleton au Siècle (selon qui ce titre évoquait aux lecteurs les trois Parques), d'adopter Les Trois Mousquetaires, Dumas a accepté ce dernier titre en notant que son absurdité (puisque les héros sont au nombre de quatre) contribuerait au succès de l'oeuvre.
I. L'arrivée à Paris
Le premier lundi du mois d'avril 1625, le bourg de Meung voit le jeune d'Artagnan, cadet de Gascogne en route vers Paris pour entrer dans la compagnie des mousquetaires, se faire humilier par deux inconnus, dont il ignore qu'ils sont agents du cardinal de Richelieu : Rochefort et Milady de Winter. Rochefort lui confisque la lettre de recommandation écrite par son père à l'intention de M. de Tréville, capitaine des mousquetaires du Roi. À Paris, d'Artagnan se présente quand même à M. de Tréville, qui ne peut lui promettre une place dans sa compagnie. En sortant de l'hôtel, alors qu'il cherche à rattraper Rochefort, d'Artagnan provoque, bien malgré lui, les trois mousquetaires en duel, en bousculant Athos, en se prenant dans le manteau de Porthos et en ramassant un mouchoir compromettant Aramis.
Mais les duels sont interdits. Trop heureux de prendre en défaut les mousquetaires du roi, les gardes du Cardinal interviennent alors que d'Artagnan s'apprête à croiser le fer. Les mousquetaires refusent de rendre les armes et d'Artagnan se range alors du côté de ses anciens adversaires pour leur prêter main-forte. Après un rude combat où les gardes sont défaits, les quatre jeunes gens se jurent amitié. Ils sont reçus par le roi; D'Artagnan reçoit 40 pistoles de la main de Louis XIII; il entre comme cadet dans la garde de M. des Essarts.
II. Les ferrets de la reine
Le jeune homme s'éprend de l'épouse de son propriétaire, Constance Bonacieux, lingère de la reine Anne d'Autriche, enlevée par Rochefort. La jeune femme, secourue par d'Artagnan, lui révèle que Richelieu cherche à compromettre la reine en dévoilant la relation amicale que celle-ci entretient avec le duc de Buckingham, favori du roi Charles Ier d'Angleterre. La reine, par l'intermédiaire de Constance, envoie d'Artagnan à Londres récupérer les ferrets qu'elle a imprudemment offerts au duc. En effet, poussé par le cardinal, le Roi a demandé à la reine de paraître avec ces ferrets au prochain bal des échevins. Pour être certain que la reine ne pourra obéir, Richelieu a chargé Milady de Winter de subtiliser deux des ferrets en la possession de Buckingham. D'Artagnan part pour l'Angleterre avec ses compagnons et leurs laquais. Il laisse sur son chemin Porthos, aux prises avec un ivrogne, Aramis, touché au bras, et enfin Athos, accusé d'être un faux-monnayeur. Il rejoint enfin l'Angleterre avec un laissez-passer volé au comte de Wardes (l'amant de Milady). Il voit le duc de Buckingham, qui accepte de lui donner les ferrets, et ordonne à son joailler personnel de fabriquer deux ferrets pour remplacer les bijoux volés par Milady. D'Artagnan retourne à Paris juste à temps pour sauver la reine.
III. Le siège de la Rochelle
Mais Constance disparaît, enlevée sur ordre de Richelieu qui s'est assuré de la neutralité de son mari. D'Artagnan se met en quête de ses amis avant de partir à sa recherche. Il retrouve Porthos blessé à la cheville et dans son orgueil, Aramis prêt à entrer dans les ordres (ce dont il le dissuade grâce à une lettre de Mme de Chevreuse), et enfin Athos criblé de dettes de jeux. Ils rentrent à Paris où M. de Tréville leur apprend qu'ils doivent se préparer pour rejoindre le siège de la Rochelle. Il annonce à d'Artagnan que le Roi lui accordera une place chez les mousquetaires après le siège. Pendant ses préparatifs, d'Artagnan rencontre Milady et son beau-frère, Lord de Winter, qu'il provoque en duel. Lui ayant fait grâce, il obtient une entrevue avec Milady, qu'il va courtiser. Il obtient ses faveurs et découvre qu'elle est marquée d'une fleur de lys au fer rouge. Furieuse de se voir démasquée, Milady tente par deux fois de le faire assassiner.
À la Rochelle, Athos, Porthos et Aramis croisent le Cardinal à la nuit tombée et acceptent de l'escorter jusqu'à une auberge. Intrigués, les mousquetaires s'attardent et découvrent qu'il attend Milady, qu'il charge de tuer le duc de Buckingham ; en échange il lui donnera un blanc-seing pour assassiner d'Artagnan sans risquer la Bastille. Athos reconnaît en Milady son épouse répudiée, Charlotte Backson, et lui dérobe le papier.
IV. La fin de Milady
Pour échapper à la surveillance des agents du cardinal, les mousquetaires tentent une action héroïque en allant défendre un bastion avancé où ils se retrouvent seuls sous le feu de l'ennemi avec Grimaud, un de leurs laquais ; une fois le gascon informé du danger qu'il court, ils décident d'écrire à Lord de Winter pour lui révéler la vérité sur Milady. Ensuite ils demanderont à la reine, par le biais de Mme de Chevreuse, où se trouve Constance Bonacieux. Leurs plans ainsi arrêtés dans le plus grand secret, les mousquetaires quittent le bastion et retournent au camp où ils sont accueillis en héros.
De retour en Angleterre, Milady est retenue prisonnière par son beau-frère. Elle séduit son geôlier, le convainc d'assassiner le duc de Buckingham, et retourne en France. Là, elle se réfugie dans le couvent des Carmélites où se cache désormais Constance. Découvrant les liens entre la jeune femme et d'Artagnan, elle la tue au moment même où celui-ci arrive en compagnie d'Athos, Porthos et Aramis. Aidés par lord de Winter et le bourreau de Lille - frères de deux anciennes victimes de Milady - les mousquetaires s'emparent de la meurtrière à Armentières et lui font un simulacre de procès. Le verdict est unanime : coupable, elle mérite la peine de mort. Les mousquetaires rentrent à Paris, où d'Artagnan est promu lieutenant par le Cardinal avec qui il se réconcilie. Il se bat en duel avec Rochefort et finit également par se réconcilier avec lui.