東勝神州傲來國有一座花果山，山頂聳立著一塊仙石，受日精月華，產下一石猴。石猴身手不凡，異常勇敢，被推為水簾洞洞主。後來，石猴四海拜師求藝，在西牛賀州得到菩提祖師的指授，得名孫悟空，學會了七十二般變化，一個筋斗雲，可行十萬八千里。歸來後自號「美猴王」,去東海龍宮借兵器，得大禹定海神針，化名「如意金箍棒」,可大可小，重一萬三千五百斤。又去陰曹地府，反猴屬名字從生死簿上勾銷。龍王、地藏王去天庭告狀，玉帝欲遣兵捉拿。太白金星建議，把孫悟空召入上界，授他做弼馬溫，在御馬監管馬。猴王開頭不知官職大小，後知實情，覺得委屈了自己，於是打出天門，返回花果山，自稱「齊天大聖」.
玉皇大帝派李天王率天兵天將捉拿孫悟空，美猴王連敗二郎神、哪吒二將。太白金星二次到花果山，請孫悟空上天做齊天聖，管理蟠桃園。孫悟空偷吃了蟠桃，又攪了王母娘娘的蟠桃宴，盜食了太上老君的金丹逃離天宮。玉帝再派李天王率天兵捉拿，雙方爭持不下，觀音菩薩舉薦灌江口二郎真君助戰。孫悟空與二郎神賭法鬥戰，不分勝負。太上老君使暗器擊中悟空。悟空被擒。玉帝使刀砍斧剁、火燒雷擊，不能損傷悟空毫毛。太上老君又反悟空置丹爐鍛鍊，七七四十九日開爐，孫悟空依然無傷，在天宮大批出手。玉帝請來佛祖如來，反孫悟空壓在五行山下，飢時，給他鐵丸子吃，渴時，給他熔化的銅汁喝。
如來因南贍部州貪淫樂禍，多殺多爭，派觀音菩薩去東土尋取經人，去西天取經，勸化眾生。觀音菩薩在流沙河、雲棧洞、五行山分別度化沙悟淨、豬悟能、孫悟空三人，將來做東土取經人的徒弟，又度白龍給取經人做腳力。
唐太宗開科取士，海州陳光蕊中得狀元，被丞相之女殷溫嬌拋球打中，做了佳婿，但在去江州上任征途中被賊艄劉洪、張彪謀害。殷溫嬌產下一子，拋流江中，被金山寺法明和尚所救，取名江流，十八歲受戒，法名玄奘。後母子相見，報了前仇。
涇河老龍因賭卦少降雨水，觸犯天條當斬，求唐太宗救命。魏徵丞相夢斬涇河龍，太宗魂被追入陰司對證，還生後修建「水陸大會」,請陳玄奘主行法事，開演諸品妙經。觀世音顯像，指化陳玄奘去西天取真經。唐太宗認玄奘做御弟，賜號三藏。
唐三藏西行，出離邊界即落入魔洞，得太白金星解救。在五行山揭去如來的壓帖，救出孫悟空，賜號行者。因孫悟空打死劫徑的強盜，唐僧數落人，悟空一怒而去，觀世音化作老母，傳給唐僧一頂嵌金花帽，一道緊箍咒，哄騙悟空戴上金花帽，金箍嵌入肉中。唐僧念動咒語，悟空就頭疼難忍，以此為唐僧約束悟空的手段。師徒二人西行，在鷹愁澗收伏白龍，白龍化作唐僧的坐騎，在觀音院，因悟空賣弄錦讕袈裟，引起金池長老的貪心，要火燒唐僧師徒，反被悟空弄法燒了禪院。混亂中，袈裟被黑風怪竊走，孫悟空去南海請來觀音，自己變化仙丹，誘黑風怪吞下，降伏此怪。
二人繼續西行，來到高老莊，莊主女兒被一個長嘴大耳的妖怪強占。悟空追趕妖怪來到雲棧洞，得知妖怪為天篷元帥，因調戲嫦娥被貶下界，誤投豬胎，經觀音收伏，賜名豬悟能，在此等候取經人，遂引其拜見唐僧，賜號八戒，做了唐僧的第二個徒弟。後來，唐僧在浮屠山得烏巢禪師傳授《多心經》。在黃風嶺遇怪刮黃風迷人，孫悟空請須彌山靈吉菩薩降伏此怪。在流沙河中，他們又收伏了觀音賜名沙悟淨並令其在此等候東土取經人的水怪，賜名沙和尚，做了唐僧第三個徒弟。師徒四人跋山涉水，西去取經。
觀音菩薩欲試唐僧師徒的道心，和黎山老母、普賢、文殊化成美女，招四人為婿。唐僧等三人不為所動，只八戒迷戀女色，被菩薩吊在樹上。在萬壽山五莊觀，悟空等偷吃人參果，推倒仙樹，被鎮元子拿獲。悟空請來觀音，用甘露救活仙樹。白骨精三次變化，欲取唐僧，都被悟空識破，將妖怪打死。八戒趁機進讒言，唐僧不辨真偽，趕走悟空，自己卻被黃袍怪拿住。被黃袍怪攝入洞中的百花公主放了唐僧並請求他到寶象國給父王送信，前來搭救。八戒、沙僧鬥不過黃袍怪，沙僧被擒，唐僧被變作老虎。八戒欲回高老莊，經白龍馬苦勸，到花果山請轉孫悟空，降伏妖魔，師徒四人繼續西行。
平頂山蓮花洞金角大王、銀角大王，欲拿唐僧。並有葫蘆、淨瓶、寶劍、扇子、魔繩五個寶器，神通廣大。悟空與之鬥智鬥勇。屢經磨難，才降伏二怪。烏雞國國王被獅精推入井內並淹死。獅精變化成國王。國王的鬼魂求告唐僧搭救，八戒從井中背出屍身，悟空又從太上老君那裡討來金丹，救活國王。獅精本是文殊菩薩的坐騎青毛獅子，因烏雞國國王曾將化齋的文殊囚禁了三日，所以遭此劫難。
牛魔王的兒子紅孩兒據守火雲洞，欲食唐僧肉。悟空抵不過紅孩兒的三味真火。請來菩薩降妖。菩薩降伏紅孩兒，讓他做了善財童子。黑水河鼉龍變作艄公，誘唐僧、八戒上船，沉入水府。孫悟空請西海龍王太子摩昂擒獲鼉龍回西海。車遲國虎力、鹿力、羊力三位三仙力乞寸有功，做了國師，國師敬道滅佛。悟空等與三師鬥法，一一挫敗了他們，使之現了原形。
觀音座前蓮花池內金魚修練成精，在通天河年年食童男童女。悟空和八戒變作童子打退妖怪。妖怪作法，使通天河封凍，誘唐僧在冰上行走，攝入水府，菩薩趕來，反金魚收回南海。太上老君的坐騎青牛趁看守童兒瞌睡，偷了老君的金剛琢下界作怪，在金山兜洞反唐僧捉去。悟空請來雷公、水伯、火德星君、十八羅漢，都被妖怪用金剛琢收去兵器。後來找到太上老君處，方把青牛收伏。
師徒四人繼續西行。唐僧、八戒飲子母河河水受孕，悟空取來解陽山落胎泉水，解了二人胎氣。西梁女兒國王欲把唐僧做夫婿，悟空等智賺關文，堅意西行，唐僧卻被琵琶洞蠍子變化的女妖攝去。悟空請昴日星官，星官化作雙冠子大公雞，使妖怪現了原形，死在坡前。六耳獼猴精趁機變作悟空模樣，搶走了行李和關文，又反小妖變作唐僧、八戒、沙僧模樣，欲上西天騙取真經。真假二悟空從天上殺到地下，菩薩、玉帝、地藏等均不能辨認真假，直到雷音寺如來佛處，才被佛祖說出本相，獼猴精被悟空打死。
師徒四人和好如初，同心協力，趕奔西天。在火焰山欲求鐵扇公主芭蕉扇扇滅火焰。鐵扇公主惱恨孫悟空把她的孩子紅孩兒送往伽山做童子，不肯借，悟空與鐵扇公主、牛魔王幾次鬥智鬥勇，借天兵神力，降伏二怪，扇滅了大火，師徒四人得以繼續西去。
祭賽國鎮國之寶舍利子被盜，悟空鬥敗萬聖老龍和九頭蟲附馬，奪回佛寶。荊棘嶺，育齡僧被樹精、水怪迷惑，聯句對詩，彌勒佛前黃眉童子下界作怪，假幻雷音寺，哄唐僧入拜擒之，彌勒趕來才降伏了黃眉怪。以後，豬八戒用嘴拱開稀柿洞。孫悟空在朱紫國為國王投藥治病，並殺敗懈豸洞觀音坐騎金毛獅變化的妖怪，（）救回王后金聖宮主。唐僧在盤絲洞被蜘蛛精纏陷，在黃花觀被蜈蚣精藥翻，悟空去紫雲山請來毗藍婆，才解脫世難。在獅駝山，又經歷青獅、白象、大鵬三怪的磨難，悟空屢戰不勝，如來引眾菩薩羅漢降伏三怪。
比丘國王被壽星坐騎白鹿變化的國丈迷惑，欲用一千一百一十個小兒的心肝做藥引。悟空解救嬰兒，敗退妖邪，壽星趕來把白鹿收回。陷空山無底洞裡老鼠精又變成女子，擄唐僧逼婚成親。悟空通過調查得知老鼠精是李天王的義女，上天庭告狀，李天王把老鼠精押回天府發落。滅法國王發願殺一萬個僧人，孫悟空施法術，把國王、后妃及文武大臣頭髮全部剃去，使國王回心向善，改滅法國為欽法國。隱霧山連環沿豹子精欲食唐僧肉，被悟空用瞌睡蟲睡倒，八戒一耙結束了妖怪的性命。
師徒四人來到天竺國外觀仙郡，郡侯張榜求雨。悟空訪知原委，勸郡侯向善，天降甘霖。師徒來到玉華州，因教授王子學藝，被除數黃獅精盜走兵器。悟空等三人奪回兵器，黃獅精投奔祖師九靈元聖，即太乙救苦天尊座下九頭獅子所化。悟空請來太乙天尊，收伏了獅怪。來到金平府，唐僧元宵夜觀燈，被玄英洞辟寒、辟暑、辟塵三個犀牛精攝去，悟空請來角木紋、培森獬、奎木狼、井木軒四位星宿，擒拿三怪，斬首示眾。在天竺本國，唐僧被月宮玉兔變化的假公主拋彩球打中，欲招為駙馬。悟空識破真相，會合太陰星群擒伏了玉兔，救回流落城外給孤寺的真公主。在銅台府地靈縣寇員外家化齋後，寇家遭動，寇員外被兇手致死。唐僧師徒被當作盜賊捉起關進監獄，悟空入地府招回員外靈魂，案情大白。
師徒四人歷盡千辛萬苦終於來到靈山聖地，拜見佛祖，卻因不曾功送人事給阿儺、伽葉二尊者，只取得無字經。燃燈古佛指派白雄尊者奪落經卷。唐僧師徒又返回雷音寺，奉唐王所贈紫金缽做人事，才求得真經三十五部五千零四十八卷，返回東土。不想九九八十一難不這缺一難未滿，在通天河又被老鼉把四人翻落河中，濕了經卷，至今《佛本行經》不全。
唐三藏等把佛經送回首都長安，真身又返回靈山。師徒四人也終成下果，三藏被封為旃檀功德佛，悟空又被封為鬥戰勝佛，八戒受封淨壇使者，沙僧受封金身羅漢，白龍馬被加升為八部天龍，各歸本位，共享極樂。