Fils de Pierre Rougon et de Félicité Puech, Pascal Rougon a cinquante-neuf ans quand commence le récit. Il vit à Plassans, dans une propriété appelée la Souleiade, où il poursuit depuis trente ans un travail sur l'hérédité prenant comme champ d'étude sa propre famille. Il a accumulé sur chaque membre des Rougon-Macquart des dossiers que sa mère aimerait bien détruire, afin d'effacer toute trace de renseignements qu'elle juge peu glorieux pour la famille. Cependant elle n'y arrive pas, malgré l'appui de Martine, servante du docteur Pascal, et de Clotilde, une jeune fille qu'il élève depuis qu'elle a eu sept ans.

Cette jeune fille est sa propre nièce, fille d'Aristide Saccard (voir La Curée et L'Argent). Petit à petit, le docteur Pascal la fait participer à ses travaux sur l'hérédité, pour lesquels elle finit par se passionner. Liés par la science, l'oncle et la nièce vont l'être aussi par l'amour charnel. Et malgré les risques héréditaires que cela peut comporter et qu'il connaît pourtant bien, Pascal fait un enfant à Clotilde. Par peur du scandale, celle-ci est envoyée à Paris, d'autant qu'elle doit aller y soigner son frère Maxime. Pendant ce temps, Pascal, rongé par le chagrin, meurt d'une crise d'angine de poitrine. Avant de mourir, il a appelé Clotilde à son chevet. Celle-ci arrive trop tard pour lui parler une dernière fois, et surtout elle ne peut empêcher la destruction des documents du docteur, brûlés par Félicité. Seul l'arbre généalogique établi par celui-ci échappe au saccage (arbre publié par Zola en annexe au roman).

Le roman se termine par la naissance de l'enfant et par un hymne à la vie :