故事发生在不久的将来，《狮鱼号》讲述了简·文森兹的经历——这位性格尖锐的教师兼双子母亲，在殖民飞船狮鱼号上因拒绝遵守生育政策而被囚禁。在监禁期间，她娓娓道来自己如何成为不情愿的革命者，其行动引发的连锁反应远超个人生死。
当简和丈夫劳尔登上“狮鱼号”时，这艘载着小批移民前往新星球的飞船，或许只有他们的孙辈才能亲眼得见。他们接受这次任务，与其说是出于理想主义或绝望，不如说是源于对地球日益黯淡前景的模糊失望。他们很快发现，这艘飞船本身也暗藏着令人失望的真相。
任务开始两年后，劳尔去世了，简独自带着两个孩子，在日益令人窒息的飞船中艰难前行。当简得知飞船领导层为增加生育率，强行将她与莱昂内尔重新配对时，她竭力反抗这项政策。这场始于个人抗争的行动，逐渐将她推向了并非完全自愿的公民不服从之路。
在叛逆少女玛格斯怂恿下，简与前助产士加布里埃尔合力开设秘密性教育课程。这对加布里埃尔构成巨大风险——身为变性女性，她为遵守飞船严苛的生育政策而伪装成男性，绝不能暴露违规行为。与麦格斯、加布里埃尔甚至出人意料的莱昂内尔暗中合作，简逐渐走出悲伤，在群体中她坚硬的外壳也微微软化。
当她在劳尔的遗物中发现一本争议之书——一本殖民者在冰冷卫星上撰写的怪异日记，该书在飞船上被列为禁书——她得以更完整地认识他，并在他为这本书创立的地下读书会中找到快乐。然而当一场令人震惊的暴力背叛颠覆了简的世界，复仇计划失控蔓延，将简与她的至亲推入远超预料的深渊。简在飞船上的所作所为引发的漫长余波，在震撼人心的尾声中揭晓，使“狮鱼号”整个任务的目标与前提都蒙上阴影。