Д-503 (Д) — мужской «нумер», главный герой-рассказчик, автор записок, составляющих текст романа; позиция героя двойственна: он испытывает духовную эволюцию и в то же время с тревогой регистрирует происходящие изменения как нежелательные (до определенного момента) отступления от «нормы». Д — инженер и математик, конструктор и строитель космического корабля «Интеграл», название которого символизирует вершинную цель Единого Государства — «проинтегрировать бесконечное уравнение Вселенной». В начале романа Д выступает как безусловный адепт тоталитарной идеологии — «идеальной несвободы». В то же время обращается внимание на его волосатые руки — атавизм, явно противостоящий всеобщей «упорядоченности». Услышав игру 1-330 на рояле, Д не может смеяться над древней музыкой, как остальные «нумера», и это беспокоит его. Успокаивается он лишь в объятиях 0-90. Когда вскоре I назначает ему свидание, Д соглашается, хотя героиня его «раздражает, отталкивает, почти пугает». В Древнем Доме герой со страхом чувствует себя «захваченным в дикий вихрь древней жизни». Однако на предложение I пропустить общеобязательную лекцию он отвечает отказом. Наутро в вагоне подземной дороги Д встречает одного из Хранителей (т. е. сотрудника тайной полиции), 8-4711, которому рассказывает о том, что был с 1-330 в Древнем Доме хотя формального доноса не делает. Вечером, намереваясь все же сделать донос, герой встречает 0-90, проводит время с ней, и положенное для доноса время оказывается упущенным. В разговоре с поэтом К-13 Д защищает «знание»; однако собеседник говорит: «Знание ваше это самое — трусость. <...> Просто вы хотите стенкой обгородить бесконечное, а за стенку-то и боитесь заглянуть».
В своих записках Д повествует о принятом ритуале исполнения приговоров над преступниками против Единого Государства: он видит в казнях аналог величественным жертвоприношениям древних времен. Д получает письмо от I, которая «записалась на него» (т. е. сделала положенную заявку на сексуальную связь) и приглашает героя к себе. Явившись к ней, Д под влиянием «соблазна» впервые отчетливо осознает собственное «раздвоение»: «Мы, на земле, все время ходим над клокочущим, багровым морем огня, скрытого там — в чреве земли. Но никогда не думаем об этом. И вот вдруг бы тонкая скорлупа у нас под ногами стала стеклянной, вдруг бы мы увидели... <...> Я стал стеклянный. Я увидел — в себе, внутри. <...> Было два меня. Один я, прежний, Д-503, нумер Д-503, а другой... Раньше он только чуть высовывал свои лохматые лапы из скорлупы, а теперь вылезал весь, скорлупа трещала, вот сейчас разлетится в куски и... что тогда?» Однако, поняв, что через 5 минут он должен быть дома (появляться на улицах после 22.30 запрещено), герой буквально убегает от I. Д проводит бессонную ночь и признается себе: «Я гибну. Я не в состоянии выполнять свои обязанности перед Единым Государством». Герой испытывает кризис веры и впервые видит себя в зеркале остраненно, как какого-то «его». К-13 рассказывает Д замысел своей поэмы о «возвращенном рае», в котором живут ныне люди Единого Государства, не различающие добра и зла, подобно Адаму и Еве. Замысел поэта полон иронии по отношению к тоталитарному обществу, однако Д принимает пародийный панегирик за истинный. I звонит герою, назначает ему свидание, ведет его в Медицинское Бюро, где Д получает фиктивную справку о болезни; затем они летят в Древний Дом, где происходит их долгожданное сближение. Домой Д возвращается один, поскольку I таинственно исчезает. Пришедшая вечером к герою 0-90 говорит ему: «Вы не тот, вы не прежний, вы не мой!» Д, который теперь живет не в «разумном», а в «древнем, бредовом» мире, понимает справедливость слов О, но ничего не может объяснить ей.
На своем рабочем месте — на эллинге, где строится «Интеграл», Д. чувствует, что ему, «преступнику отравленному — здесь не место», поскольку идея Единого Государства (и, соответственно, корабля) перестала быть для него смыслом жизни. Не видя I в течение нескольких дней, Д бродит возле ее дома и пропускает начало общеобязательной лекции. Встретившемуся «хранителю» 8 герой говорит, что направляется в Медицинское Бюро. 8 сопровождает его; в Бюро Д встречает знакомого доктора, который говорит ему: «Плохо ваше дело! По-видимому, у вас образовалась душа». Более того, по словам врача, человечеству грозит эпидемия этого заболевания. Герой идет к Древнему Дому вдоль Зеленой, или Стеклянной, Стены, отделяющей идеальный мир Единого Государства от «дикого зеленого океана» — царства природной стихии. В Доме Д ищет I, но видит из окна 8. Пытаясь спрятаться от него, Д входит в платяной шкаф, оказывающийся лифтом; опускается в подземный коридор и за одной из дверей встречается со знакомым доктором. Появившаяся I выводит героя на улицу, назначив свидание на послезавтра. Д окончательно осознает, что математика не может полностью объяснить мир: область иррациональных чисел ассоциируется для него с «душой».
Герой получает письмо от О, которая готова пожертвовать своей любовью ради его благополучия, а также записку от I, которая просит Д имитировать любовное свидание с ней (спустить шторы на прозрачных стенах). Д присутствует на лекции о «детоводстве», где видит О, но не говорит с ней. Вернувшись домой, он застает О в своей комнате: она готова расстаться с ним, но хочет иметь от него ребенка. Д использует «розовый талон» (разрешение на сексуальную связь), присланный ему I вместе с запиской. Через несколько дней герой опять отправляется в Древний Дом; по дороге встречает 8, который советует ему быть осторожнее. Во время очередной массовой прогулки некая женщина пытается помешать стражнику избивать государственного преступника. Д, которому кажется, что эта женщина — I, бросается ей на помощь; ему удается избежать ареста лишь благодаря вмешательству все того же 8, якобы случайно оказавшегося рядом. Во время долгожданного свидания с I та почему-то задает Д вопрос о том, скоро ли будет окончен «Интеграл», а также намекает на что-то, что должно произойти в праздничный День Единогласия. Герой сравнивает этот праздник, который он любит с детства, с «Пасхой» древних; это день демонстрации единодушия, когда совершаются фиктивные «выборы» главы государства — Благодетеля. Во время выборов I демонстративно голосует «против»; спасая ее, поэт К несет I в объятиях, однако Д из чувства ревности пытается помешать ему и сам спасает героиню. Записывая свои впечатления от этого дня, герой разышляет: «Неужели обвалились спасительные вековые стены Единого Государства? Неужели мы опять без крова, в диком состоянии свободы — как наши далекие предки?» По дороге на службу Д видит на стенах «листовки» с одним словом — «Мефи» (явная ассоциация с Мефистофелем). После работы встречается с I в коридоре под Древним Домом; она ведет Д за Зеленую Стену — в царство «стихии» и обросших шерстью лесных людей. I представляет им героя как единомышленника. Выступая перед ними, Д, потерявший голову, кричит: «Надо всем сойти с ума, необходимо всем сойти с ума — как можно скорее!» На следующий день, придя к нему, I сообщает, что в городе идет подготовка к неким масштабным медицинским мероприятиям. Глядя на волосатую руку Д, героиня предполагает, что в нем, должно быть, «есть несколько капель солнечной, лесной крови». На предложение I захватить «Интеграл» Д сперва отвечает отказом, но затем соглашается.
Узнав о предстоящей всем «нумерам» операции по «удалению фантазии», Д полагает, что это и есть искомое всеобщее счастье, однако после свидания с I осознает, что «не хочет спасения» без нее. Перед испытательным полетом «Интеграла» Д видит на улице первую колонну оперированных — людей, у которых удалена фантазия: «не люди — а какие-то человекообразные тракторы». Во время полета корабля Д, поняв, что заговор раскрыт Хранителями, приказывает остановить двигатели, пытаясь устроить катастрофу, однако его помощник успевает подать другую команду, и корабль остается невредим. Едва пришедшего в себя героя вызывает к себе Благодетель —- глава Единого Государства; он обвиняет Д в том, что он помешал людям реализовать древнюю мечту о рае, но самым страшным из того, что говорит Благодетель, оказывается для Д мысль, будто I вовсе не любила его и он интересовал заговорщиков только как строитель «Интеграла». На следующий день в городе начинается восстание: Стена взорвана, и Лес наступает. В суматохе Д не может найти I, но она сама приходит к нему. Это их последнее свидание, но вопрос о том, любит его I или нет, остается для героя нерешенным. Не в силах перенести сомнений, Д наутро бежит в Бюро Хранителей, где последовательно рассказывает 8 всю историю отношений с I; впрочем, оказывается, что тот и так все знает. Решив, что 8 тоже в числе заговорщиков, Д убегает и в конце концов оказывается в общественной уборной, причем его сосед занят тем, что математически доказывает «конечность Вселенной», сидя с записной книжкой и логарифмическим циферблатом в руках. Потрясенный «его твердостью в этот апокалипсический час», Д просит у соседа бумагу, на которой делает свои последние записи. При этом ему в голову приходит вопрос: «А там, где кончается ваша конечная Вселенная? Что там — дальше?» Однако в этот момент Д, как и всех присутствующих, хватают стражники; их подвергают «Великой Операции». Последняя запись сделана уже «новым» героем: от «прежнего» сохранился лишь почерк. «Новый» Д-503 абсолютно счастлив. На следующий день после операции он явился к Благодетелю и рассказал обо всем без каких-либо нравственных затруднений. Он спокойно наблюдал пытки, которым подвергли I и других заговорщиков. Герой полагает, что восстание удастся подавить. «Я надеюсь — мы победим. Больше: я уверен — мы победим. Потому что разум должен победить».
1-330 (I) — женский «нумер», «демоническая» соблазнительница главного героя. Характерны черты внешности: «тонкая, резкая, упрямо-гибкая, как хлыст», фигура, кровавого цвета губы, белые и острые зубы, «острым углом вздернутые к вискам брови». Героиня воплощает «архаические», с точки зрения Единого Государства, представления о любви — страстной и мучительной. I назначает Д свидание в аудиториуме, в котором читается лекция о преимуществах современной музыки; здесь перед публикой она играет на «древнем» инструменте — рояле. Через несколько дней она приглашает Д в Древний Дом; иронически цитирует слова героя о «нелепой, нерасчетливой трате человеческой энергии» в древности. Переодевшись, она предстает перед Д в «старинном» платье — т. е. в одежде начала XX в.; предлагает ему остаться с ней — однако он отказывается, не решаясь пропустить лекцию. Через некоторое время I письмом приглашает Д к себе. Полушутя говорит ему, что, поскольку он вовремя не сделал доноса на нее, теперь он у нее в руках. Вновь надевает соблазнительное платье, предлагает Д категорически запрещенный «нумерам» алкоголь. Когда герой от страсти теряет самообладание, I издевательски показывает ему на часы: через пять минут он должен быть у себя в комнате; Д в смятении убегает. По телефону I вновь назначает ему свидание, ведет его в Древний Дом и там отдается герою. Затем исчезает в потайной двери шкафа. При очередном свидании I спрашивает у Д, будет ли он всегда о ней помнить: она предчувствует близкую развязку. Во время «выборов» Благодетеля I демонстративно голосует «против», но поэт К-13 и Д спасают ее от гнева толпы и ареста. С этого момента, по словам героини, «все известное кончилось». I ведет Д за Стеклянную Стену, где представляет лесным людям. Позже, придя к нему, она рассказывает, что после Двухсотлетней Войны часть побежденных спаслась от уничтожения и ушла в леса: «Они учились там у деревьев, зверей, птиц, цветов, солнца. Они обросли шерстью, но зато под шерстью сберегли горячую, красную кровь*. Своих стороников I называет «Мефи», или «антихристианами». Героиня предлагает Д во время испытательного полета захватить космический корабль «Интеграл». Д обращается к I с просьбой спасти 0-90, которая беременна от него, и I переправляет ее за Стену. Во время полета «Интеграла» I со своими сторонниками также находится на корабле; когда выясняется, что заговор раскрыт, она в запальчивости обвиняет Д в том, что донес он — «исполнил долг». Но когда в городе начинается восстание, I приходит проститься с героем, причем для Д так и остается не до конца понятно, любила его героиня или лишь использовала как послушное орудие в политической игре. Когда Д, подвергнутый «Великой Операции», выдает всех заговорщиков, I подвергают пыткам в его присутствии, однако она не говорит ни слова; ясно, что, в числе прочих, она будет казнена.
0-90 (О) — женский «нумер»; в начале романа — «постоянная» сексуальная партнерша главного героя. Внешность героини ассоциируется с ее «именем»-инициалом: она небольшого роста, «круглая», розовая и синеглазая — напоминающая ребенка. С самого начала в характере героини подчеркнуто доминирующее качество: она во власти материнского инстинкта и страстно хочет иметь ребенка, на что не имеет права по законам Единого Государства. Узнав о романе Д с 1-330, О, влюбленная в него, понимает, что Д уже не «принадлежит» ей; она пишет герою, что любит его и именно поэтому готова отказаться от него («снять свою запись»), чтобы не мешать ему быть с I. Во время лекции о «детоводстве» О инстинктивно бросается из зала на эстраду аудиториума, чтобы поддержать сидящего на столе ребенка, которому грозит падение. Вечером этого дня она приходит к Д и говорит, что хочет от него ребенка, несмотря на перспективу быть казненной. Д выполняет ее просьбу, воспользовавшись как «оправдательным» документом «розовым билетиком», полученным от I. Через некоторое время, встречая Д, О сообщает, что беременна. Д решает обратиться за помощью к I; ревнуя к ней, О отказывается от помощи, но затем соглашается на все ради спасения ребенка. Д дает ей записку к I, и О спасена. Ребенок, который должен у нее родиться, символизирует надежду на победу над тоталитарной утопией.