東勝神洲傲來國海邊有一花果山，山頂一石，受日月精華，產下一個石猴。石猴勇探瀑布飛泉，發現水簾洞，被眾猴奉為“美猴王”。猴王領群猴在山中自由自在數百載，偶聞仙、佛、神聖三者可躲過輪迴，與天地山川齊壽，遂獨自乘筏泛海，歷南贍部洲，至西牛賀洲，終在靈臺方寸山斜月三星洞，為菩提祖師收留，賜其法名孫悟空。悟空在三星洞悟徹菩提妙理，學到七十二般變化和筋斗雲之術後返回花果山，一舉滅妖魔混世魔王，花果山狼、蟲、虎、豹等七十二洞妖王都來奉其為尊。
孫悟空佔山為王，號為美猴王。苦於無兵刃，遂去東海龍宮求取，東海龍王敖廣及其兄弟送給他一支如意金箍棒及一身披掛。又與牛魔王、蛟魔王、鵬魔王、獅駝王、獼猴王、禺狨王等結為兄弟，日逐講文論武，絃歌歡舞。一日被陰司按勾去，遂大鬧幽冥，於生死簿上勾去所有猴屬之名。龍王、地藏王上天庭告狀，太白金星建議招安孫悟空，玉帝准奏。
玉帝封孫悟空做“弼馬溫”，著他看管馬匹。孫悟空後得知此官職卑微，大怒，打出南天門，回花果山，自封為“齊天大聖”，其他幾個兄弟也分別自稱了平天大聖、覆海大聖、混天大聖、移山大聖、通風大聖、驅神大聖。
托塔天王李靖及哪吒三太子奉旨興師捉拿孫悟空，被孫悟空打敗，迴天庭復旨。太白金星奏請玉帝降旨封孫悟空為齊天大聖，但不給他事務與俸祿。玉帝准奏。孫悟空應太白金星之邀，再入天宮。玉帝封其為齊天大聖，並賜予他齊天大聖府。孫悟空在天上無事，每日交朋結義，不論尊卑。玉帝怕他閒中生事，讓其看管蟠桃園。王母舉辦蟠桃盛會，孫悟空怪王母未請其趕會，竟闖至會上，飽吃仙酒佳餚，又至兜率宮，吃盡金丹；攪亂蟠桃會後，逃回花果山後，玉帝派十萬天兵擒拿，未勝。
觀音菩薩推薦二郎神助戰。悟空和二郎各顯神通：多般變化，難分勝負；老君擲金鋼琢打倒悟空，哮天犬咬住悟空方被擒。玉帝令天神將其處死，刀砍槍刺，雷擊火燃，孫悟空卻毫髮無損。太上老君將其關入八卦爐，孫悟空不但不死，還煉就一雙火眼金睛。四十九天後，悟空推翻八卦爐，舞金箍棒，亂天宮。諸天將不能敵，玉帝只得請來西天佛祖。如來法力無邊，悟空無法跳出其手心，被壓於五行山下，飲餐鐵丸、渴飲銅汁度日。
五百年後，如來因南贍部洲之人貪淫樂禍，多殺多爭，令觀音菩薩去東土覓一人，來西天取經，以普渡眾生，並賜箍兒三個作降妖用。觀世音菩薩攜木叉行者往東土尋取經人，路上收服兩個妖魔：一個原為靈霄殿下侍鑾輿的捲簾大將，因失手打破玻璃盞，被玉帝貶在流沙河受苦；一個本是天河裡的天蓬元帥，因帶酒戲嫦娥，被打下凡塵投胎為豬形，在福陵山雲棧洞為妖。觀音替他們取法名沙悟淨和豬悟能，叫他們等取經人來，保護取經人西去。觀音又請玉帝饒恕犯法的西海龍王之子，將其送於深澗中，只等取經人來，為取經人作個腳力。
行至五行山，被壓在山下的孫悟空表示願意悔過，觀音也令其等唐國取經人來，“你可跟他做個徒弟，秉教伽持，入我佛門，再修正果”。
唐太宗開科取士，青年陳光蕊高中狀元，又娶相府殷小姐為妻。之後，官拜江州州主。陳光蕊攜妻赴任，路上，被賊人劉洪謀害，妻子被佔。陳之妻殷氏產下一子，拋入江中，被金山寺寺僧搭救。此子十八年後受戒，法名玄奘。玄奘終與母親相見，又求見外祖父，報了血仇。
長安涇河邊有一漁二樵敘說城中有神卦，按卦打魚，百下百著，恰被巡水夜叉聽見，轉報龍王。龍王即變秀士詢問雨情。卜者所答恰與玉旨相合，龍王為賭勝，錯行雨，當斬，龍王求卜者搭救卜者囑龍王進宮求助唐王。唐太宗夢中允龍王之請，第二日退朝後留魏徵對弈，以拖過午時三刻。不料魏徵午時睡著，夢斬涇河龍。龍王在冥間告唐王，冥王拘唐王三曹對案。判官受魏徵所託，私改生死簿，唐太宗還陽，派劉全地府進瓜果，又因在地府見冤魂無數，遂決定建水陸大道場，選一名有德行的高僧主持法會。眾臣舉洪福寺和尚陳玄奘。玄奘前身是如來弟子金蟬，因無心聽講，被貶凡塵，從小經歷種種磨難。觀音到長安，與木叉變成癲頭和尚，獻袈裟、錫杖於唐王，使唐王賜與玄奘。又於法會上現身，指示西天有“大乘佛法三藏”，可度亡脫苦，消無妄之災。玄奘因向唐王請命去西天取經。唐王與玄奘拜為兄弟，又命其指經取號，號作“三藏”，與文武百官送其西行。
三藏騎御賜白馬，與兩名侍者，一路出大唐西界，在雙叉嶺被老虎精變成的“寅將軍”將其兩名侍者食盡，三藏獨得逃生，此為三藏取經初出長安第一難。前行遇猛虎、長蛇，為獵戶劉伯欽所救。伯欽送三藏至兩界山，猛聽得山下有人大叫“我師傅來也！”原來此山就是五行山改名，山下壓著五百年前大鬧天宮的孫悟空。三藏揭去山頂如來金字壓帖，悟空裂山跳出，拜三藏為師，被賜名孫行者。
路上，孫悟空打死六個強盜，不堪唐僧數落，一怒之下去了龍宮。唐僧接受觀音贈送的用來鉗制孫悟空的兩件東西——嵌金花帽與緊箍咒。悟空聽從龍王勸告，回到唐僧身邊。在此間隙，觀音贈三藏一領直裰、一頂花帽，又教他一篇“緊箍咒”。三藏哄悟空戴上花帽，一念緊箍咒，悟空痛得打滾，原來那花帽是如來所賜緊箍。悟空只得侍奉唐僧奔西而進。
二人至鷹愁澗，唐僧的白馬被澗裡玉龍吞下肚去。觀音將玉龍變成白馬，供三藏乘騎。
在觀音院，悟空賣弄唐僧的錦襴袈裟，觀音院長老金池長老心生貪念，慾火燒唐僧師徒，卻被悟空弄法反燒了禪院。但袈裟反被金池長老之友黑風怪竊走。孫悟空求助觀音，他設計讓觀音化作黑風怪的妖友，自己化作仙丹，誘黑風怪吞下，黑風怪降伏。
唐僧師徒繼續西行，至高老莊，得知莊主女兒被一妖怪強佔，悟空擒拿此妖，追至雲棧洞。知妖怪原是天庭的天蓬元帥，因調戲嫦娥，被貶下界，錯投豬胎，故形貌像豬。經觀音收伏，賜名豬悟能，在此等候取經人。孫悟空引他拜見唐僧，唐僧收其為徒，唐僧因其自稱斷了“五葷三厭”，又替他起別號叫“八戒”。
過浮屠山，烏巢禪師傳授唐僧《多心經》。
途經八百里黃風嶺，唐僧被黃風怪攝入黃風洞。悟空到小須彌山請來靈吉菩薩收服黃風怪，原來此怪乃靈山下得道的黃毛貂鼠。
在流沙河，唐僧收被觀音點化的沙悟淨為三弟子，賜號沙和尚。師徒四人跋山涉水，往西天取經。
師徒四眾渡河西行，遇觀音、普賢、文殊菩薩和黎山老母變成一母三女試禪心。八戒凡心未退，被綁吊在樹上。
經萬壽山五莊觀，悟空偷鎮元子大仙“人參果”，又推倒人參果樹，為大仙所困。悟空三島求方，最後到南海請來觀音，用手執淨瓶中的甘露救活人參果樹。
至白虎嶺，屍魔欲害三藏，初變少女，次變老婦，三變公公，均被行者識破除之。由於八戒攛掇，三藏怪行者行兇，念緊箍咒，逐走行者。行者復回花果山為妖。三藏遇黃袍怪被捉。黃袍怪之妻為寶象國公主，搭救之。三藏至寶象國傳信，國王遣八戒、沙僧降妖，反被黃袍怪所敗。黃袍怪進宮誣陷三藏為白虎精。白龍馬救師未果，囑八戒去請行者。行者戰敗黃袍怪，後者原來是奎宿下凡。悟空救出師父，師徒言歸於好。
過平頂山，三藏命八戒巡路。八戒初則偷懶睡覺，繼則編謊騙師，均被行者識破。山中有金角、銀角二妖，經行者惡鬥收伏之，妖魔卻是老君的二個看爐童子，由觀音借來託化妖魔以試三藏師徒。
夜宿寶林寺，三藏夜遇烏雞國王鬼魂訴冤。行者救活烏雞國王，戰敗殺害國王並佔據王位的妖魔，後者原來是文殊菩薩的坐騎，奉佛旨來報前仇。
抵號山，遇聖嬰大王紅孩兒，三藏遇難，行者、八戒等救師屢為妖敗。紅孩兒為行者早年的結拜兄弟牛魔王之子，行者變化為牛魔王進洞搭救三藏亦未果，為紅孩兒三昧真火所敗。最後得觀音助解救之。觀音收伏紅孩兒，為善財童子。
過黑河，遇小鼉龍。三藏被困水底。行者請來龍王收伏之。
抵車遲國，遇虎力、鹿力、羊力三妖。行者、八戒、沙僧夜鬧三清觀；戲謔三妖。後在宮中與三妖鬥法，賭求雨、猜枚，又賭砍頭、剖腹、滾油鍋，行者皆勝之，除卻三妖。
經通天河，遇觀音座前蓮花池內成精為妖的金魚，金魚作法把唐僧攝入水府。觀音趕來，收走金魚。三藏得老黿助渡過河。老黿求三藏代問佛祖何時他可得人身。
過金兜山，遇獨角兕大王，三藏被擒，行者幾經惡鬥，又請來各方神兵相助，均失利。後得如來指明，請來老君收伏之。原來妖精為老君坐騎青牛。
至西梁女國，三藏和八戒飲子母河水而懷孕，行者取落胎泉水解救之。女王欲招贅三藏，行者設計走脫之。但三藏又為毒敵山琵琶洞蠍子精所攝，行者請來昴宿滅之。又在途遇盜，行者除滅之。三藏怪行者殺人，逐之。行者無奈去求訴觀音。時三藏遇假行者行兇，並搶走包袱。師徒們以為是行者所為，遣沙僧趕至花果山討取未果，又趕到南海觀音處，忽見行者又在彼，沙僧怒極，經觀音說明才罷。行者尋至花果山與假行者惡鬥。二行者直鬥至如來處。如來說明假行者為六耳獼猴，併除滅之。
師徒路阻火焰山前。行者打聽得有芭蕉扇可克服之，但扇在紅孩兒之母、牛魔王之妻羅剎女處。行者趕至羅剎處，先是禮借，後是強索。羅剎因怪行者害紅孩兒，只借給假扇。行者又至牛魔王小妾處找牛借，牛不允；行者盜得牛之坐騎，變作牛之模樣，至羅剎處騙得芭蕉扇。但半路又被牛魔王趕上變做八戒模樣而騙去。後來又藉助神兵，與牛魔王惡鬥，敗之，索得扇子，滅火焰山火。
至祭賽國，行者為國王除滅盜寶之萬聖龍王和九頭駙馬。
過荊棘嶺，八戒揮鈀開路。夜逢竹精樹妖。三藏被攝，與妖精談詩。後被八戒一頓釘鈀築翻妖樹。
到小西天，遇黃眉大王。妖精善使搭包裝人。行者請來各路神兵，均不敵。後得彌勒佛相助才降伏，原來妖精乃佛前司磐童兒。
經駝羅莊，行者和八戒殺蛇精，拯救了一莊老幼。
經稀柿衕，八戒變大豬拱開滿山汙路。
到朱紫國，行者為國王醫病，又救回三年前為妖精賽太歲所劫的皇后金聖宮。賽太歲卻是觀音坐騎金毛獅，特來為國王消災。
過盤絲嶺，三藏遇蜘蛛精遭難，後者又唆使多目怪蜈蚣精來與三藏師徒作對。行者打死蜘蛛精，又請來毗藍婆收伏多目怪。
至獅駝嶺，遇青獅、白象、大鵬三魔，三藏遭災；行者苦鬥難勝，去西方求告佛祖。如來宣文殊、普賢降妖，原來獅、象乃二菩薩之坐騎，如來又迫使大鵬皈依。
比丘國王被壽星坐騎白鹿所化的國丈迷惑，欲用一千一百一十一個小兒心肝做藥引，悟空解救嬰兒，打退妖怪，壽星趕來收走白鹿怪。
三藏在松林救一女，卻是妖精。師徒夜宿鎮海寺，行者降妖，妖精攝走三藏至陷空山無底洞。行者請來哪吒相助，原來此妖乃李天王之義女老鼠精。
過滅法國，國王要殺一萬和尚，正少四名。行者夜間剃盡皇宮內院、五省六部官員之發。迫使國王皈依秉善，並改國名為欽法。
隱霧山連環洞豹子精南山大王欲吃唐僧肉，被悟空用瞌睡蟲睡倒，八戒將其打死。
經鳳仙郡，孫行者見該郡三年未雨，災情嚴重，蓋因郡主當年推倒齋天素供所致，才勸歸善，全郡唸佛，感動天降甘霖。
抵玉華州，行者師兄弟三人收三個王子為徒傳藝；仿造金箍棒等兵器。結果兵器為豹頭山黃獅精所盜，黃獅精又求助其祖九靈元聖。行者知後者乃太乙救苦天尊坐騎，乃請太乙天尊降伏之。
過金平府，恰逢元宵節，三藏觀燈被青龍曲妖精闢寒大王、闢暑大王、闢塵大王攝去，行者請來四木禽星降滅之，把妖怪斬首示眾。
月宮玉兔化為天竺國公主拋繡球給唐僧，欲招之為婿。悟空會合太陰星君擒伏玉兔，救回真公主。
過銅臺府地靈縣，宿寇員外家，受優厚款待。後寇家被盜，寇員外被害。三藏師徒被誣。行者施法辨明之，又救寇員外還陽。
三藏師徒終於到達靈山，乘無底船過凌雲仙渡，見如來求經。如來命阿儺、伽葉檢經傳與；阿儺、伽葉向三藏索人事不得，便將無字經本傳給三藏。燃燈古佛便命白雄尊者去半路奪經，四眾才知真相，返回告於如來。如來卻說：經不可輕傳。三藏把紫金缽盂送給阿儺，才發出真經五千零四十八卷。如來命八大金剛護送師徒回東土。觀音查看三藏所經難簿，共八十難，便命揭諦趕上金剛，再生一難。時三藏等正墜落在通天河邊，有老黿來馱過河。
老黿因怪三藏未曾為他求問佛祖歸著之事，便淬下水去，經卷遭水，殘缺不全。終於完成了九九八十一難之數。金剛便將師徒們送至長安。
佛經送回長安，經一十四遍寒暑，太宗喜接得唐僧師徒，因作《聖教序》以彰唐僧之功。唐僧正在雁塔寺登臺誦經，被金剛導引，師徒四人並白馬復轉靈山。四人真身重返靈山聽封：三藏被封旃檀功德佛；悟空為鬥戰勝佛；八戒為淨壇使者；沙僧為金身羅漢；白龍馬為八部天龍，各歸本位。孫悟空頭上緊箍也自行消失。