La acción se narra desde el punto de vista de Bruno, el hijo de nueve años3 de un militar de alto rango nazi. La familia de Bruno se ve obligada a abandonar Berlín cuando a su padre lo destinan para trabajar en el campo de exterminio de Auschwitz. La familia acepta el cambio con resignación. Desde la ventana de su nueva habitación Bruno divisa una verja tras la cual hay personas que siempre llevan puesto un "pijama a rayas"; en realidad se trata de judíos prisioneros. Explorando los alrededores de su nuevo hogar, Bruno conoce a través de la valla de seguridad del campo a un niño judío polaco llamado Shmuel, nombre que Bruno no ha oído antes pero que parece ser bastante común en ese sitio. Shmuel le cuenta la historia de su deportación y las terribles condiciones de la vida en el campo. Bruno entabla amistad con él y le visita a menudo, llevándole comida. Tras diversas peripecias, un día la madre de Bruno convence a su esposo, y este decide que el campo no es un lugar adecuado para vivir con su familia y toma la decisión de volver a Berlín.
Antes de irse, Bruno visita a Shmuel para despedirse y este le cuenta entre sollozos que ya no encuentra a su padre, ante lo que Bruno le promete ayudarle a buscarlo. Entra en el campo tras levantar la verja y se pone un uniforme de preso que le consigue su amigo. No consiguen encontrar al padre de Shamuel y llueve, por lo que Bruno quiere volver a casa. En lugar de eso, los guardias del campo les obligan a entrar junto a una muchedumbre en un lugar "cálido" y "seguro". La historia finaliza cuando los dos niños agarrados de la mano entran dentro de una cámara de gas y mueren con los demás presos judíos.
En el epílogo, el padre de Bruno descubre la ropa de su hijo junto a la alambrada e imagina lo sucedido. Meses más tarde, los aliados(aunque en la novela no se especifica quiénes son, Auschwitz fue liberado por el Ejército Rojo) se llevan a los soldados nazis y el padre de Bruno les sigue sin quejarse porque "ya no le importa nada lo que hagan con él".
