В сюжете произведения смешаны выдуманные и реальные исторические события.
События повести начинаются приблизительно в 1815 году. Император Александр I во время поездки по Европе посетил Англию, где в числе прочих диковинок ему продемонстрировали крошечную стальную блоху, которая могла танцевать. Император приобрёл блоху и привёз её домой в Петербург.
Спустя несколько лет, после смерти Александра I и восшествия на престол Николая I, блоху нашли среди вещей покойного государя и долго не могли понять, в чём смысл «нимфозории» . Атаман Платов, который сопровождал Александра I в поездке по Европе, появился во дворце и объяснил, что это образец искусства английских механиков, но тут же заметил, что русские мастера своё дело знают не хуже.
Государь Николай Павлович, который был уверен в превосходстве русских, поручил Платову осуществить дипломатическую поездку на Дон и заодно посетить проездом заводы в Туле. Среди местных умельцев можно было найти тех, кто мог бы достойно ответить на вызов англичан.
Будучи в Туле, Платов вызвал троих самых известных местных оружейников во главе с мастеровым по кличке «Левша» , показал им блоху и попросил придумать нечто такое, что превзошло бы замысел англичан. Возвращаясь на обратном пути с Дона, Платов снова заглянул в Тулу, где троица всё продолжала работать над заказом. Забрав Левшу с неоконченной, как считал недовольный Платов, работой, он отправился прямиком в Петербург. В столице под большим увеличением микроскопа выяснилось, что туляки превзошли англичан, подковав блоху на все ноги крошечными подковами.
Государь и весь двор были восхищены, Левша получил награду. Государь распорядился отослать подкованную блоху обратно в Англию, чтобы продемонстрировать умение русских мастеров, и также послать Левшу. В Англии Левше продемонстрировали местные заводы, организацию работы и предложили остаться в Европе, но он отказался.
На обратном пути в Россию Левша держал с полшкипером пари, по которому они должны были перепить друг друга. По приезде в Петербург, полшкипера привели в чувство, а Левша, не получив вовремя квалифицированную медицинскую помощь, скончался в простонародной Обухвинской больнице, где «неведомого сословия всех умирать принимают» . Перед смертью Левша передал доктору Мартын-Сольскому оружейный секрет чистки стволов: «— Скажите государю, что у англичан ружья кирпичом не чистят: пусть чтобы и у нас не чистили, а то, храни Бог войны, они стрелять не годятся» . Но Мартын-Сольский не смог передать поручение, и по словам Лескова: «А доведи они левшины слова в своё время до государя, — в Крыму на войне с неприятелем совсем бы другой оборот был» .