Román Lucemburská zahrada začíná v první den prázdnin, kdy Paul, učitel na pařížském lyceu, sedí v bytě v rue Vaugirard, kde žije se svou ženou, u počítače a začíná se připravovat na podzimní vyučování. Je zvyklý psát deseti prsty a při hledání odkazu na internetu se mu stane, že z nepozornosti položí prsty pravé ruky na klávesnici o jednu klávesu doleva. Z tohoto nepatrného chybného pohybu se rozvine celá řada událostí a Paul prožije nejšťastnější a nejstrašnější okamžiky svého života.
Paul si nevšimne, že do vyhledavače napsal jiné slovo; na obrazovce se objeví odkaz na prózu amerického autora Rosse; Paul se na internetu dočte o podivném manželství tohoto autora; díky Rossově próze se v Paulovi probudí na lavičce v Lucemburské zahradě nový způsob vnímání světa; sám začne psát knihu o své nové zkušenosti; seznámí se se studentkou Claire, která prožila podobnou, avšak zrcadlově obrácenou zkušenost; na terase domku v Nice, kde tráví dovolenou se svou ženou, se Paul stává svědkem děsivého představení, které se odehrává na pozadí města nořícího se do soumraku; odjíždí za Claire na východokaribský ostrov Saint Lucia; Claire nenajde, ale setkává se tu s ženou, která studovala v Moskvě kvantovou fyziku a která mu vypráví o svém vztahu k synovi ruského oligarchy, o jeho lásce, starostech s absurdním dědictvím a smrti. V románu se vypráví o proměně vnímání, o lásce a žárlivosti, nenávisti a smíření, a také například o novém jazyce, který vymyslel Ross, a o jeho luštění, o programování audioanimatronických figurín, jaké se používají při atrakcích v Disneylandu, o nebezpečných psychofarmakách, o kopii pařížské ulice v džungli, o koncertu v amfiteátru v sicilské Taormině, o pohyblivé hongkongské hračce na baterky, kterou hrdina objeví v pasáži Pommeraye v Nantes, a o živé langustě, která upadla číšníkovi na zem v zahrádce restaurace v Nice.