Quentin (ook wel Q genoemd door zijn vrienden) en Margo al vanaf hun 2e al buren in Jefferson Park, een suburb in Orlando, Florida. In hun vroeger zijn ze beste vrienden en hebben ze allebei een oogje op elkaar. Op een dag, wanneer ze 9 zijn, gaan ze samen spelen in het park van Jefferson Park waar ze achter een boom een lijk aantreffen. Quentin wilde zo snel mogelijk naar huis en de politie bellen, maar Margo is nieuwsgierig en gaat onderzoek doen. Het blijkt dat hij zelfmoord heeft gepleegd.

9 jaar later zitten Quentin en Margo in het laatste jaar van de middelbare school. Ze zijn klasgenoten maar hun vriendschap wordt steeds minder. Quentin is een teruggetrokken “nerd” die niet populair is in de klas maar hij wordt niet gepest, hij heeft twee beste vrienden, Ben en Radar (zijn echte naam is Marcus) en Margo is de populairste meid van de klas en heeft een relatie met de populairste jongen, Jase. Quentin vindt Margo na 9 jaar nog steeds leuk, maar het lijkt alsof Quentin niet meer bestaat voor Margo.

Op een avond klimt Margo door Quentins raam en vraagt hem of hij haar wilt helpen met een avontuur die ze heeft gepland, ze wilt nog niet vertellen wat het plan is maar Quentin gaat mee omdat hij graag bij Margo wil zijn. Het is een plan die uit negen stappen bestaat: eerst gaan ze in een aantal winkels de benodigde spullen halen, vervolgens gaan ze Jase erop betrappen dat hij met Becca (Margo's beste vriendin) vreemd gaat, een foto van Jase maken terwijl hij naakt wegrent van Becca's huis, een vis in Becca's huis verstoppen, een vis in Lacey's (de andere beste vriendin van Margo) auto verstoppen (omdat zij niet tegen Margo had verteld dat Jase met Becca vreemd gaat), een wenkbrauw van de pestkop van de school, Chuck, epileren terwijl hij slaapt, inbreken in de hoogste toren van Orlando en inbreken in Sea World. Hoewel de meeste van de 9 stappen van het plan erg gevaarlijk en spannend zijn lukt het hun om alles perfect uit te voeren zonder in de problemen te komen. Quentin vind het eigenlijk veel te spannend en is er niet mee eens, maar hij ontdekt dat hij een geweldige tijd heeft. In het hoogste gebouw waar ze inbreken vertelt Margo Quentin dat ze Orlando zat is, dat zowel de gebouwen als de mensen zo nep zijn alsof ze gemaakt zijn van papier (paper towns) en dat ze zich hier niet thuis voelt. In Sea World vertelt ze hem dat het plannen van dit soort avonturen vaak leuker is dan het daadwerkelijk doen (ze doet dit soort dingen regelmatig). Om 5 uur is het avontuur afgelopen, vlak voordat hun wegen scheiden zegt Margo tegen Quentin dat ze het geweldig vond om weer iets met hem gedaan te hebben. Quentin vraagt zich af of ze de komende tijd op school wel naar hem om zal kijken.

De volgende dag op school is Margo nergens te bekennen en is er verder niks veranderd. Het schooljaar is bijna afgelopen en iedereen heeft het over het gala. Margo is nog steeds niet terug en haar ouders hebben de zoektocht opgegeven omdat de politie hun vertelde dat ze nu meerderjarig is en daarom mag doen wat ze wilt. Nadat dat de ouders van Margo de politie hadden gebeld gingen zij langs bij Quentins familie om te vragen of Quentin wist waar Margo was. Quentin vertelt hun niks over het nachtelijke avontuur dat zij hebben gehad en zegt dat hij haar sinds dat ze die avond langs was gekomen niet meer heeft gezien. De politieagent vertrouwt hem niet en vraagt door in privé, Quentin laat niks los behalve zijn bezorgdheid, de politie vertelt hem dat agenten niet veel kunnen doen tegen gevallen als Margo, behalve hopen dat ze op een dag weer terug komen. Hoewel dit bezoek weinig heeft opgeleverd voor de zoektocht naar Margo, hebben de ouders van Margo wel vertelt dat Margo altijd een spoor van broodkruimels achterlaat wanneer ze verdwijnt. Dit zet Quentin aan het denken en hij vraagt zich af of Margo deze keer ook weer een spoor heeft achtergelaten. Wanneer de ouders van Margo weg zijn en Quentin weer gaat gamen met Radar en Ben ziet hij door zijn raam dat Margo een poster van de country zanger Woody Guthry op haar gordijn heeft geplakt waarop staat geschreven: “This Machine Kills Facists”. Dit was voor deze dag niet op haar gordijn geplakt en daarom stellen Quentin en zijn vrienden vast dat het een aanwijzing van Margo is, die speciaal is bedoelt voor Quentin. Ze besluiten te wachten tot Margo's ouders uit huis zijn zodat ze ongezien haar kamer kunnen doorzoeken voor nog meer aanwijzingen. In haar kamer vinden ze een plaat van Woody Guthry waar een liedje genaamd “Walt Withmans Niece” omcirkeld is met permanent marker. Wanneer ze de kamer nog verder doorzoeken vinden ze de poëzie bundel van Walt Withman. Er zijn een aantal citaten gemarkeerd in deze bundel, maar Quentin en zijn vrienden begrijpen er niet veel van en stoppen de zoektocht voor deze dag. Hierna raakt Quentin raakt in de was hij snap er niks van. De gedichten komen negatief op hem over waardoor hij denkt dat Margo misschien zelfmoord heeft gepleegd. Een aantal dagen later wordt hij door zijn Engels docent betrapt dat hij niet op aan het letten is in de les omdat hij het bundel van Withman aan het lezen is tijdens de les. Hierdoor komen zij in gesprek over de betekenis van de gedichten van Withman en vertelt de docent dat het helemaal niet over zelfmoord gaat, maar juist om het begrijpen van anderen. Withman vertelt met zijn gedichten dat als je lang genoeg iemand analyseert je die gene na verloop van tijd volledig kunt begrijpen omdat ieder mens uit hetzelfde voorkomt. Door deze nieuwe blik op de zaken ontdekt Quentin een aanwijzing in het gedicht die verwijst naar iets dat verstopt is in de scharnier van een deur. Eerst kijkt hij bij Margo's kamerdeur, maar hier vindt hij niks. Vervolgens kijkt hij in de scharnieren van zijn kamerdeur en daar vindt hij een briefje waarop de coördinaten staan van een vervallen mini-winkelcentrum in de buurt. De volgende dag besluiten Quentin en zijn vrienden hier heen te gaan. Toen ze daar waren zagen ze allemaal sporen dat er iemand kortgeleden is geweest en Quentin vermoedt dat het Margo is. Daarnaast gaat Quentin gebieden rondom de stad bezoeken waar een nieuwbouw project is gestart die nooit is afgemaakt, Quentin denkt dat Margo met Paper Towns deze wijken bedoelt, hij is bang dat hij haar lijk zal aantreffen op een van deze plaatsen. Uiteindelijk vindt hij niks en besluit hij op de dag van het gala weer naar het mini-winkelcentrum te gaan. Hij gaat op onderzoek uit en probeert niet bang te zijn van de vervallen plek om Margo beter te kunnen beschrijven. Ergens verborgen vindt hij een deken die naar Margo ruikt, ook gaat hij allemaal reisboeken en kaarten af die in een souvenirwinkel liggen en daar ontdekt hij Margo's aantekeningen. Hiermee ontdekt hij dat op een kaart een plek in New York aangestreept is. Hij besluit zijn vrienden van een feest op te halen en gaat de volgende dag gaat op het internet zoeken naar Paper Towns in New York. Hij vindt een artikel op een equivalent van Wikipedia over het stadje Agloe en vindt in de comments een aanwijzing van Margo. Hij ontdekt dat hij op de dag van diploma uitreiking naar die plek moet rijden om er op tijd te zijn. Zijn vrienden en Lacey stemmen in om met hem mee te gaan.

De jongens en Lacey houden een reis van iets minder dan 24 uur naar Agloe, dit wordt per uur beschreven. Wanneer zij in Agloe komen ontdekken zij dat Margo in een vervallen boerderij zich bevindt. Ze komen haar ophalen maar wanneer ze haar vinden is de situatie totaal anders dan wat zij hadden verwacht. De vrolijke spontane Margo is ineens depressief en gesloten. Daarnaast is ze geërgerd dat haar vrienden haar hebben gevonden en zegt ze dat ze nooit had bedoelt of verwacht dat haar aanwijzingen ontcijferd zouden worden. Lacey, Radar en Ben worden hier heel boos door en besluiten naar een hotel te gaan om uit te rusten en de volgende dag terug te rijden, ze vinden dat Quentin zelf moet uitmaken of hij de volgende dag met hun mee gaat of niet. Quentin blijft bij Margo en zij hebben het over de betekenis van de gedichten van Withman. Daarnaast vertelt Margo hem dat ze geen zin heeft in het leven dat ze achter heeft gelaten en daarom nog niet van plan is om terug te komen. Het is immers ook veel te gênant na de wraakactie die ze is begaan. Ook vertelt ze dat ze van jongs af aan al fantaseerde om avonturen met Quentin te beleven omdat zij een oogje op hem had, maar dat hoe ouder ze werd ze steeds meer dacht dat hij saai was en niet om haar gaf. Met hun avontuur heeft ze ontdekt dat haar vooroordelen niet klopten. Hierna zoenen ze heel veel en besluiten ze ieder hun eigen weg te gaan. Ze spreken af om elkaar in de toekomst weer te zien.