Das Kunstmärchen handelt von dem Studenten Nathanael, der wegen eines Kindheitstraumas nicht mehr richtig zwischen der Realität und seiner Einbildung unterscheiden kann.
1. Brief: Nathanael an Lothar
Der Student Nathanael berichtet in seinem Brief von einer beängstigenden Begegnung mit dem Wetterglashändler Coppola. Der erinnerte ihn an den Advokat Coppelius aus seiner Kindheit.
Coppelius kam früher oft zu Nathanael nach Hause, um dort mit seinem Vater alchemistische Experimente zu machen. Immer wenn er kam, mussten die Kinder ins Bett, weil angeblich "der Sandmann" kam. Als Nathanel sein Kindermädchen fragte, wer der Sandmann ist, erzählte sie ihm, dass der Sandmann ein böser Mann ist, der den Kindern die Augen raubt. Nathanael hatte große Angst vor dem Sandmann. Gleichzeitg war er aber auch neugierig und wollte den Sandmann sehen. Darum versteckte er sich in dem Arbeitszimmer seines Vaters. Als Coppelius wieder zum Experimentieren kam, entdeckte er Nathanael und drohte, ihm die Augen wegzunehmen. Nathanael wurde daraufhin bewusstlos und verbindet seitdem die schreckliche Geschichte vom Sandmann mit Coppelius. Ein Jahr später taucht Coppelius wieder auf und der Vater will ein letztes Mal mit ihm experimentieren. Dabei geht aber etwas schief und es gibt eine Explosion, bei der Nathanaels Vater stirbt. Von da an hasst Nathanael Coppelius noch mehr.
Als er jetzt plötzlich auf Coppola trifft, kommt sein Kindheitstrauma wieder hoch und er glaubt fest daran, dass es sich bei Coppola um Coppelius handelt.
2. Brief: Clara an Nathanael
Nathanael war etwas verplant und hat seinen Brief ausversehen nicht an Lothar, sondern an seine Verlobte Clara adressiert. Sie ist total entsetzt davon, was Nathanael in seiner Kindheit passiert ist. Aber sie glaubt auch, dass sich Nathanael vieles nur einbildet und die dunklen Mächte nur in seinem Kopf existieren. Deshalb rät sie ihm, Coppelius und Coppola einfach zu vergessen.
3. Brief: Nathanael an Lothar
Nathanael schreibt, dass er doch nicht mehr glaubt, Coppelius und Coppola seien ein und dieselbe Person. Trotzdem ist er weiterhin beunruhigt. Außerdem berichtet er von dem Professor Spalanzani und seiner Tochter Olimpia, die irgendwie starr und leblos wirkt. Am Schluss kündigt er an, Clara und Lothar bald zu besuchen.
Erzähler berichtet über weitere Handlung
Während der Zeit, in der Nathanael zu Hause bei Clara und Lothar ist, verändert er sich sehr stark. Er ist davon überzeugt, dass er von dunklen Mächten kontrolliert wird. Clara versucht ihm immer wieder klarzumachen, dass sich all das Böse nur in seinem Kopf abspielt. Als Nathanael ihr ein besonders düsteres Gedicht vorliest, bittet sie ihn, es wegzuschmeißen, woraufhin Nathanael beleidigt wegrennt. Lothar bekommt Wind davon, findet, dass Nathanael nicht so mit seiner Schwester umgehen darf und will sich mit ihm prügeln. Clara kann das Duell aber verhindern, den Streit schlichten und alle versöhnen sich wieder.
Als Nathanael wieder in seine Studentenstadt zurückkehrt, ist seine Wohnung komplett abgebrannt. Er zieht in eine neue Wohnung gegenüber vom Professor Spalanzani. Durch das Fenster kann Nathanael Olimpia sehen.
Eines Tages steht wieder Coppola vor seiner Tür. Nathanael kauft ihm ein Perspektiv (Fernrohr) ab und beobachtet damit Olimpia. Dadurch verändert sich seine Wahrnehmung und er ist auf einmal sehr fasziniert von Olimpia. Bei einem Fest von Spalanzani tanzt Nathanael sogar mit Olimpia und ist hammer in love. Auch, wenn sie nicht besonders gesprächig ist und immer nur "Ach, ach" sagt. Die anderen Leute finden Olimpia irgendwie komisch, aber Nathanael will davon nichts hören. Er besucht sie immer öfter und hat das Gefühl, dass sie ihn versteht.
Als Nathanael auf dem Weg ist, Olimpia einen Heiratsantrag zu machen, beobachtet er einen Streit zwischen Spalanzani und Coppola, die beide an Olimpia zerren, bis sie kaputt geht. Plötzlich checkt Nathanael, dass Olimpia nur eine Puppe ist. Daraufhin dreht er komplett durch und geht auf den Professor los. Ein paar Menschen gehen dazwischen und Nathanael wird ins Irrenhaus gesteckt.
Nach einiger Zeit darf Nathanael zurück nach Hause zu seiner Mutter, Clara und Lothar und so langsam sind alle wieder happy. Bei einem Stadtbesuch besteigen Clara und Nathanael einen Turm, um eine bessere Aussicht zu haben. Clara entdeckt einen komischen grauen Busch. Als Nathanael durch Coppolas Perspektiv schaut, dreht er auf einmal wieder völlig durch. Er versucht Clara vom Turm zu werfen, was Lothar zum Glück verhindern kann. Als Nathanael unten in der Menschenmenge Coppelius erkennt, stürzt er sich selbst vom Turm und stirbt.
Einige Jahre später hat immerhin Clara ihr Glück gefunden und eine Familie gegründet.