La trama sigue el segundo año de Harry Potter en el Colegio Hogwarts de Magia y Hechicería, durante el cual una serie de mensajes en las paredes de los pasillos de la escuela advierten que la Cámara de los Secretos ha sido abierta y que el «heredero de Slytherin» matará a todos los alumnos que no provengan de familias con sangre mágica. Dichas amenazas se cumplen con ataques que dejan a los alumnos de la escuela «petrificados». Durante todo el año, Harry y sus amigos Ron Weasley y Hermione Granger investigan sobre los ataques, un hecho similar que había ocurrido años antes, lo cual lleva al protagonista a conocer más la historia de su mayor enemigo, Lord Voldemort, quien había asesinado a sus padres cuando era un bebé.
Tras el primer curso de Harry en Hogwarts, éste regresa al hogar de sus tíos Vernon y Petunia Dursley para pasar el verano allí. Un día, en la habitación de Harry aparece un ser conocido como «elfo doméstico» llamado Dobby, quien le advierte que no debe asistir a su segundo curso del colegio puesto que «estará en peligro mortal»; sin embargo, Harry hace caso omiso a las palabras del elfo. Después de esto, Ron Weasley, y sus hermanos Fred y George arriban a su casa en un coche volador, escapando con Harry.
Poco después del comienzo de Harry en su segundo año en Hogwarts, mensajes en las paredes de los pasillos revelan que la mítica Cámara de los secretos se ha abierto de nuevo y que el «heredero de Slytherin» matará a todos los alumnos cuyos padres no tengan sangre mágica —entre ellos, Hermione—. Después de esto, varios habitantes de la escuela son encontrados petrificados en los pasillos. Mientras tanto, Harry, Ron, y Hermione descubren a Myrtle la llorona, el fantasma de una chica que fue asesinada la última ocasión en que la Cámara se abrió, y cuya guarida es el inodoro del baño de mujeres donde ella murió. Myrtle le muestra a Harry un diario que lleva el nombre de «Tom Marvolo Riddle». A pesar de que sus páginas estaban en blanco, responde cuando Harry escribe en él. Finalmente el libro le muestra Hogwarts cincuenta años antes. Ahí observa a Tom Riddle, un alumno en aquel momento, culpando por abrir la Cámara a Rubeus Hagrid, quien entonces tenía trece años de edad y ya se había dedicado a cuidar peligrosas criaturas mágicas como mascotas.
Cuatro meses después, el diario es misteriosamente robado y, poco después, Hermione sufre la petrificación. No obstante, Hermione sostiene una nota que explica que el culpable es un basilisco, una enorme serpiente cuya mirada mata a quienes lo miran directamente a sus ojos, pero sólo petrifica a quienes lo miran por medio de una superficie reflectante, como el agua o un espejo. En la nota, Hermione concluye que dicho monstruo viaja a través de las tuberías de la escuela y emerge a través del inodoro de Myrtle. Mientras los ataques continúan, Cornelius Fudge, el Ministro de Magia, retiene a Hagrid y lo envía a la prisión de los magos como precaución. Lucius Malfoy, un antiguo partidario de Voldemort que afirma haberse reformado, anuncia que los gobernadores de la escuela han suspendido a Dumbledore de su cargo de director.
En la novela, las lágrimas de un fénix contienen propiedades curativas.
Después de que la hermana menor de Ron, Ginny, sea llevada a la Cámara, el personal de la escuela insiste en que el profesor de Defensa contra las Artes Oscuras, Gilderoy Lockhart, debe controlar la situación; sin embargo, cuando Harry y Ron entran a su oficina con el fin de decirle que han descubierto algo acerca del basilisco, Lockhart revela que es un fraude y que toma crédito por los triunfos de otros y amenaza con borrar la memoria de los chicos. Desarmando a Lockhart, lo dirigen hacia el baño de Myrtle la llorona, donde Harry descubre una entrada que se dirige a la Cámara secreta. En las alcantarillas de la escuela, Lockhart coge la varita mágica de Ron e intenta de nuevo borrar la memoria de los chicos, pero la varita de Ron había sido dañada en un accidente al comienzo del año escolar, por lo que el hechizo falla. Como resultado, Lockhart sufre una amnesia total, una parte del túnel es destruida y Harry queda separado de Ron y Lockhart.
Mientras Ron trata de hacer un túnel a través de los escombros, Harry entra a la Cámara secreta, donde Ginny se encuentra desmayada al lado del diario. Mientras Harry la examina, Tom Riddle aparece, con el mismo rostro y cuerpo que Harry había visto en el diario, y explica que es una memoria almacenada en el diario. Ginny escribió en él explicando sus esperanzas y miedos de adolescencia, y Riddle ganó su confianza por aparentar ser simpático, poseyéndola y usándola para poder abrir la Cámara. Riddle revela también que es Voldemort de adolescente. Revela después que cuando Ginny descubrió que era la responsable de los ataques sucedidos en el colegio, trató de lanzar el diario en el baño, lo cual explica la manera en que entró en posesión de Harry. Riddle libera al basilisco para matar a Harry. La mascota de Dumbledore, el fénix Fawkes, trae una espada magnífica envuelta en el Sombrero Seleccionador. Harry usa la espada para aniquilar a la criatura, poco después de haber sido mordido por los colmillos venenosos de la criatura, de los cuales uno se rompe; por ello, Fawkes cura al chico con sus lágrimas. Harry apuñala el diario con el colmillo roto y Riddle grita y desaparece.[a] Después de que Ginny despierta, Fawkes lleva a los cuatro fuera del túnel.
Harry cuenta la historia completa a Dumbledore, quien ha vuelto a ocupar el cargo de director. Éste revoca la amenaza de expulsar a los alumnos si no respetan las normas y les entrega premios especiales por sus servicios a la escuela. Cuando Harry menciona sus miedos, semejantes a los de Tom Riddle, Dumbledore le responde que Harry escogió la casa de Gryffindor y que sólo un verdadero miembro de dicha casa pudo haber utilizado la espada de Godric Gryffindor para matar al basilisco. Lucius Malfoy se pone furioso y Harry le acusa de haber colocado el diario en uno de los libros de Ginny mientras todos los alumnos compraban sus libros escolares en el Callejón Diagon antes de comenzar el curso; Malfoy responde «Pruébalo». Finalmente, todas las víctimas de petrificación causada por el basilisco son revividas por una poción, cuya preparación tomó varios meses.
Personajes principales
Harry Potter es el protagonista de la novela, que se hizo famoso en el primer libro por haber sobrevivido a un ataque causado por Lord Voldemort cuando era bebé. En La cámara secreta se revela que Harry es capaz de hablar el idioma pársel, una lengua que sirve para comunicarse con las serpientes, siendo una de las muy pocas personas que pueden hablarla, tales como Salazar Slytherin. Dado que muchas personas comienzan a conocer esta capacidad de Harry, empiezan a sospechar que él podría ser el heredero de Slytherin y el culpable de la petrificación. Harry es quien mata al basilisco de la cámara secreta y salva a Ginny Weasley, que se encontraba en la cámara.
Ron Weasley es el mejor amigo de Harry y Hermione. Después de saber que Harry se encuentra castigado por un problema en su hogar causado por Dobby, lo rescata con sus hermanos llegando en un automóvil volador. Ya que ni él ni Harry misteriosamente pueden cruzar la plataforma 9¾ para asistir al primer día de su curso escolar, viajan en el automóvil hacia la escuela, cayendo en el sauce boxeador y con esto ocasionan el quebramiento de su varita mágica, lo cual le provoca problemas durante todo el año.
Hermione Granger es una de las tres protagonistas y la mejor amiga de Harry. Es una niña inteligente que posee abundantes conocimientos sobre la magia y que impide que sus amigos Ron y Harry se metan en conflictos. Descubre quién es el verdadero heredero de Slytherin y cómo se han petrificado algunos alumnos de la escuela; no obstante, cuando desea mostrarle dicha información a sus amigos, queda petrificada. Cuando Harry y Ron la visitan en la enfermería, descubren que sostiene en su mano la información que mostraba la realidad del heredero y de la petrificación.
Lord Voldemort, cuyo nombre real, que descubre en el libro, es Tom Riddle, el mayor enemigo de Harry. Su diario es encontrado por Harry, quien descubre que Voldemort es el verdadero descendiente de Salazar Slytherin y fue quien abrió la Cámara de los secretos cincuenta años atrás. En el clímax de la historia, se enfrenta con Harry en la cámara. Con el veneno del colmillo del basilisco, Harry clava el diente en el diario de Voldemort y lo destruye.
Gilderoy Lockhart es un apuesto profesor que imparte la materia Defensa contra las Artes Oscuras, la cual enseñaba Quirrel un año antes. Presumido y orgulloso, por mucho tiempo, se hizo el famoso robándose los triunfos de otros magos importantes. Harry y Ron le obligan a que los acompañe a la cámara, ya que Lockhart mintió que había encontrado la entrada que dirigía a dicha habitación. Trata de borrar la memoria de los chicos con la varita de Ron para salvar a Ginny él solo, pero ya que la varita se encontraba defectuosa el hechizo se vuelve a sí mismo.
Rubeus Hagrid es un semigigante, guardián de las llaves y terrenos de Hogwarts. Al principio, Harry deduce que él fue quien abrió por primera vez la Cámara de los Secretos. No obstante, más adelante, se descubre que fue Tom Riddle en realidad, pero este último culpó a Hagrid de ello, por lo que fue expulsado del colegio. Luego de que se abre nuevamente la cámara, Hagrid es nuevamente culpado y enviado a la prisión de Azkaban, aunque después es reconocido como inocente.
Albus Dumbledore es el director del colegio, cuyo fénix Fawkes salva a Harry de la muerte con sus lágrimas. Asimismo, Dumbledore le manda a Harry la espada de Gryffindor para que luche con el basilisco. Lucius Malfoy provoca que Dumbledore vaya a Azkaban por, según él, no cuidar la escuela. Después vuelve a su cargo como director para tener una larga plática con Harry.
Myrtle la llorona es una fantasma que vive en un inodoro del sanitario de las chicas; ella es la razón por la que muchas chicas no entran al baño, ya que tiene un carácter extraño. Su historia está muy relacionada con la cámara porque fue quien falleció en el baño de las chicas al haber visto el basilisco la primera ocasión que la cámara se abrió. Es con esta información con la que los protagonistas descubren el por qué de la petrificación.
Dobby es un elfo doméstico que le advierte a Harry al comienzo de la novela que no debe regresar a Hogwarts. Como Harry se niega, Dobby tapa la plataforma 9¾ para que no pueda subir al tren que lo lleva al colegio. Sirve para la familia Malfoy, y no es sino hasta el final de la novela que se descubre esto. Dobby tiene una mente muy diferente a la de los otros elfos: quiere ser libre y la única manera de liberar a un elfo doméstico es regalándole ropa. Hacia el final, Harry le entrega un calcetín que coloca en el diario que Lucius Malfoy le encarga a Dobby a sostener, causando la liberación del elfo.
