Sur Terre, le récit commence lorsque le jeune Edgar Rice Burroughs arrive au manoir de son oncle John Carter, un aventurier notoire qu'il aimait beaucoup, et apprend son décès brutal. Il ne peut pas voir le corps : Carter a demandé à être enterré dans un cercueil ouvert, dans un tombeau scellé de l'intérieur. Le notaire remet à Burroughs le journal intime de Carter, qu'il est le seul à avoir le droit de lire. Burroughs découvre une note laissée à son attention par son oncle, qui le prie de lire avec attention l'aventure en apparence incroyable qu'il relate dans le journal. Le journal commence à l'époque où Carter, ancien officier sudiste de la guerre de Sécession, mène une vie solitaire en tant que prospecteur d'or sans le sou. Un jour, un officier de la cavalerie nordiste, Powell, vient le trouver et tente de le convaincre de s'engager à nouveau pour lutter contre les Indiens, mais Carter refuse. Capturé et mis aux fers, il s'échappe à cheval, poursuivi par Powell et ses hommes.
Une rencontre imprévue avec des Apaches aboutit au massacre des hommes de Powell, qui est gravement blessé et que Carter, par compassion, aide à échapper aux Indiens. Tous deux se réfugient à l'entrée d'une grotte surmontée d'un symbole, où les Indiens, apeurés, renoncent à les poursuivre. En s'aventurant à l'intérieur de la grotte, Carter découvre une cavité dans laquelle de l'or est visible sur les parois. Il y est surpris par un moine (un Thern) qui tente de le poignarder mais qu'il parvient à tuer. En touchant le médaillon du Thern au moment où celui-ci tente de s'en servir, Carter se trouve brutalement téléporté et perd conscience.Carter se réveille dans un étrange désert. En tentant de se lever, il constate que la gravité y est plus faible ; après de nombreuses chutes, il se rend compte qu'il peut mettre à profit cette différence pour faire des bonds extraordinaires.
En approchant des montagnes, Carter découvre une sorte de couveuse où des œufs contenant des humanoïdes verts sont en train d'éclore. Désorienté, il se cache en voyant approcher des humanoïdes verts à quatre bras (ce sont des Tharks, des martiens verts), mais finit capturé et emmené dans leur ville. Il y est adopté par une Thark, Sola, et placé sous la protection du Jeddak (roi) des Tharks, Tars Tarkas. Le rite d'initiation natal des Tharks, que subit Carter, lui permet de comprendre leur langue.Pendant ce temps, Sab Than de Zodanga, doté des pouvoirs du Neuvième rayon et conseillé de près par les Therns qui lui dictent la stratégie à suivre, a écrasé l'armée d'Helium et proposé une réconciliation dont la condition est son mariage avec la princesse d'Helium, Dejah Thoris. Celle-ci est une scientifique de renom et a presque réussi à comprendre le fonctionnement du Neuvième rayon, mais un agent Thern, déguisé, sabote sa machine. Refusant le mariage forcé, Dejah Thoris s'échappe à bord d'un vaisseau volant.
