Sử thi Gilgamesh kể về vị vua thứ năm của triều đại Uruk (nay là Iraq, triều đại của ông cách đây 2500 Năm TCN) trong thần thoại Lưỡng Hà. Tương truyền, Gilgamesh (còn được gọi là Bilgames trong lịch sử người Sumerian) là một á thần mang trong mình 2/3 dòng máu thần thánh, vì vậy mà ông có sức mạnh hơn người. Ông là người đã xây dựng nên bức tường Uruk vĩ đại để ngăn chặn sự xâm lăng của quân thù. Là một nhà vua vĩ đại của một vương triều hùng mạnh, Gilgamesh trở nên kiêu ngạo vì sức mạnh của mình. Đối với những phụ nữ trẻ của Uruk, hắn đòi hỏi quyền hưởng đêm đầu, hoặc "quyền của chúa tể", ngủ với cô dâu trong đêm tân hôn của họ. Đối với những chàng trai trẻ, người ta phỏng đoán rằng Gilgamesh bắt họ tham gia các cuộc thi đấu đến kiệt sức hoặc là lao động cưỡng bức trong các công trình xây dựng.
Và điều đó rõ ràng làm các dân chúng không hài lòng, họ đã cầu cứu các vị thần. Các vị thần đáp lại lời cầu nguyện bằng cách tạo ra một người có sức mạnh ngang bằng với Gilgamesh từ bùn và đất sét nhằm đánh bại Gilgamesh. Đó là một người hoang dã, Enkidu, phủ đầy lông lá và sống trong rừng cùng với các loài động vật. Một người thợ săn phát hiện ra Enkidu luôn giúp thú vật thoát khỏi bẫy rập khiến ông ta không săn bắt được gì, nên đã cầu xin Thần mặt trời Shamash cử Shamhat, một kĩ nữ/nữ tu ở đền thờ, đến để thuần hóa Enkidu. Sau sáu ngày bảy đêm (hoặc hai tuần, theo các học giả gần đây) tình tứ và dạy Enkidu cách sống khai hóa, nàng đưa Enkidu đến trại của người chăn cừu để học cách làm con người. Trong khi đó, Gilgamesh mơ thấy mình sắp có một người bạn đồng hành thân thiết mới nên nhờ mẹ của mình, nữ thần Ninsun, giúp giải thích những giấc mơ này.
Shamhat mang Enkidu đến trại chăn cừu, nơi chàng được hướng dẫn về cách ăn uống của con người và trở thành một người gác đêm. Sau khi biết từ một người qua đường về cách Gilgamesh đối xử với các cô dâu mới, Enkidu đã nổi giận và tới Uruk để ngăn cản Gilgamesh. Khi Gilgamesh định vào phòng tân hôn, Enkidu chặn đường hắn và họ giao đấu. Sau một trận chiến khốc liệt họ gần như ngang tài ngang sức, cho đến khi Enkidu thừa nhận sức mạnh vượt trội của Gilgamesh và họ trở thành 2 người bạn thân thiết vì cảm phục tài năng của nhau.
Gilgamesh đề xuất một cuộc hành trình đến Rừng tuyết tùng giết chết quái vật bán thần Humbaba để trở nên nổi tiếng. Bất chấp cảnh báo từ Enkidu và các bô lão, Gilgamesh không hề mảy may run sợ.
Các bô lão cho Gilgamesh lời khuyên cho hành trình sắp tới. Gilgamesh đến thăm mẹ của mình, nữ thần Ninsun, và nhờ bà xin sự hỗ trợ và bảo vệ của thần mặt trời Shamash cho cuộc phiêu lưu của họ. Ninsun nhận Enkidu làm con trai, và Gilgamesh để lại những chỉ dẫn về việc cai trị Uruk lúc chàng vắng mặt.
Thế rồi Gilgamesh và Enkidu cùng phiêu lưu đến rừng tuyết tùng ở dãy núi Cedar để tiêu diệt tên quỷ thần Humbaba - kẻ có khả năng tạo ra những cơn bão. Cứ cách vài ngày, họ dựng lều trên một ngọn núi, và thực hiện một nghi lễ giấc mơ. Gilgamesh có năm giấc mơ kinh hoàng về những ngọn núi đổ sụp, giông bão, bò rừng và một con chim sấm sét thở ra lửa. Mặc dù có sự tương đồng giữa những nhân vật trong mơ và những mô tả trước đó về Humbaba, Enkidu diễn giải những giấc mơ này là điềm báo tốt, phủ nhận rằng những hình ảnh đáng sợ này đại diện cho Kẻ gác rừng. Khi đến gần ngọn núi tuyết tùng, họ nghe thấy tiếng Humbaba gầm lên, và động viên nhau đừng run sợ.
Humbaba, kẻ bảo vệ Rừng tuyết tùng, lăng mạ và đe dọa họ. Hắn gọi Enkidu là kẻ phản bội thiên nhiên, và thề sẽ mổ bụng Gilgamesh rồi ném cho chim ăn. Gilgamesh lo sợ, nhưng được Enkidu khích lệ, chàng bắt đầu trận chiến. Những ngọn núi ầm ầm rung chuyển và bầu trời biến thành màu đen. Thần Mặt trời Shamash đã gửi tới 13 cơn gió để trói Humbaba và chọc mù mắt tên ác quỷ, hắn ta bị bắt. Humbaba cầu xin được sống, khiến Gilgamesh mủi lòng thương. Hắn mời Gilgamesh làm Chúa tể của rừng, hứa sẽ đốn cây cho chàng và làm nô lệ của chàng. Tuy nhiên Enkidu cho rằng Gilgamesh nên giết Humbaba để lưu danh thiên cổ. Humbaba nguyền rủa cả hai và Gilgamesh chém đầu hắn, cùng với bảy đứa con trai. Hai anh hùng đã chặt hạ nhiều cây tuyết tùng, trong đó có một gốc cây khổng lồ mà Enkidu định dùng làm cổng cho ngôi đền thờ Enlil. Họ đóng một chiếc bè và xuôi thuyền trở về dọc theo sông Euphrates cùng với cái cây khổng lồ và (có thể là) thủ cấp của Humbaba.
Gilgamesh rơi vào "mắt xanh" của nữ thần Ishtar. Nhưng ông đã từ chối tình cảm của nàng vì nàng nổi tiếng cư xử tàn ác với với những tình nhân trước đây, như Dumuzid, khiến Ishtar rất tức giận. Ishtar xin cha mình, thần Anu, cử Thiên ngưu Gugalanna xuống để trừng phạt Gilgamesh. Khi Anu không đồng ý, Ishtar đe dọa sẽ làm người chết sống dậy, "áp đảo số người sống" và "nuốt chửng họ". Anu sợ hãi và nhượng bộ. Ishtar dẫn Gugalanna đến Uruk và tàn phá mọi thứ. Nó uống cạn nước sông Euphrates, làm đầm lầy khô cằn. Nó đào những cái hố khổng lồ nuốt chửng 300 người đàn ông. Không dùng đến bất kỳ sự trợ giúp thần thánh nào. Enkidu và Gilgamesh tấn công con bò, Enkidu xé xác con bò thần để bảo vệ người bạn anh yêu thương, dâng trái tim của nó cho Shamas và cả gan ném cái đùi bò vào mặt Ishtar. Nàng ta giận lắm, xúi các vị thần Anu, Ea và Shamash báo mộng cho Enkidu biết rằng hoặc anh hoặc Gilgamesh sẽ bị trừng phạt bằng cái chết trong khi đó thì thành phố Uruk ăn mừng chiến thắng. Enkidu với lòng cao thượng của một người bạn đã nhận chết thay để Gilgamesh được sống.
Trong giấc mơ của Enkidu, các vị thần đã phán quyết một trong hai vị anh hùng phải chết vì đã giết chết Humbaba và Gugalanna. Bất chấp sự phản đối của Shamash, Enkidu bị phán tội chết. Enkidu nguyền rủa cánh cổng khổng lồ mà chàng đã dựng cho đền thờ Extil. Chàng cũng nguyền rủa người thợ săn và Shamhat vì đã tách rời chàng khỏi tự nhiên. Shamash nhắc nhở Enkidu về cách Shamhat cho chàng ăn, mặc cho chàng quần áo, và dẫn chàng đến với Gilgamesh. Shamash nói với chàng rằng, Gilgamesh sẽ cho chàng những vinh dự lớn lao nhất trong lễ tang chàng, và sẽ lang thang cô độc trong thế giới hoang dã, gặm nhấm nỗi đau mất đi người bạn thân. Enkidu trở nên hối hận về những lời nguyền rủa của mình và cầu phúc cho Shamhat. Tuy nhiên, trong giấc mơ thứ hai, chàng thấy mình bị giam cầm tại Cõi âm bởi một vị thần chết đáng sợ. Cõi âm là một nơi đầy bụi và bóng tối, cư dân ở đó ăn đất sét và mặc áo lông chim, bị giám sát bởi những sinh vật đáng sợ. Suốt 12 ngày, tình trạng của Enkidu trở nên ngày một tồi tệ. Chàng than rằng mình đã không chết như một người hùng giữa một trận chiến, rồi trút hơi thở cuối cùng. Gilgamesh ôm lấy cơ thể của Enkidu suốt nhiều ngày, phủ nhận rằng chàng đã chết, cho tới khi chàng thấy một con giòi rơi ra từ mũi của xác chết.
Gilgamesh đọc một bài điếu văn cho Enkidu, và kêu gọi khắp núi rừng, ruộng đồng, sông hồ, muông thú và toàn thể Uruk khóc than cho bạn mình. Nhớ lại cuộc phiêu lưu cùng nhau, Gilgamesh rơi lệ ướt đẫm tóc và quần áo. Chàng cho dựng một bức tượng lớn, và lấy từ trong kho báu của mình những báu vật quý giá nhất để bồi táng theo Enkidu. Một bữa tiệc lớn được tổ chức để dâng các báu vật lên cho những vị thần Cõi âm. Đoạn tiếp theo phiến đất sét bị vỡ, người ta đoán rằng nói về một khúc sông được đắp đập, ám chỉ việc thủy táng, như trong bài thơ Sumerian tương ứng, Cái chết của Gilgamesh.
Đau buồn vì cái chết của người bạn thân, Gilgamesh chán nản không muốn trở lại ngai vàng. Ông đi lang thang khắp nơi, mong muốn tìm gặp một vị ẩn sĩ tên là Utnapishtim để hỏi về ý nghĩa của sự sống và cái chết cũng như phương cách giúp trở nên bất tử (Utnapishtim cũng giống như ông Noah trong thần thoại Công giáo, sống sót một trận đại hổng thủy do các thần gây ra). Khi gặp được Utnapishtim, vị ẩn sĩ ra một thử thách cho Gilgamesh nếu ông có thể thức trong 7 ngày không ngủ thì sẽ được giải đáp mọi câu hỏi. Tuy Gilgamesh đã không thực hiện được thử thách, đến ngày thứ sáu thì Gilgamesh ngủ thiếp đi, và Utnapishtim bảo vợ cứ mỗi ngày chàng ngủ thì hãy nướng một ổ bánh mì, để làm bằng chứng cho việc chàng đã không giữ được tỉnh táo. Gilgamesh, kẻ đang tìm cách vượt qua cái chết, thậm chí còn không thể chiến thắng giấc ngủ. Sau khi Urshanabi Người lái đò tắm rửa cho Gilgamesh và khoác cho chàng vương bào, họ khởi hành đi Uruk.
Khi họ rời đi, vợ của Utnapishtim bảo chồng tặng chằng một món quà chia tay. Utnapishtim nói với Gilgamesh rằng dưới đáy biển có một loại cây có thể khiến chàng trẻ lại. Gilgamesh buộc đá vào chân để có thể đi bộ dưới đáy biển, và hái được cây thần. Gilgamesh nghĩ nên đem cái cây về Uruk để thử xem loại cây này có đúng là thần dược không, bằng cách thử nghiệm nó trên một ông già.
Gilgamesh định bụng đem loại cây này về cho nhân dân của ông có thể sống trường tồn thế nhưng dọc đường đi, một con rắn đã ăn trộm mất cây quý. Có lẽ cũng nhờ thế mà loài rắn ngày nay mới có khả năng tự lột xác, thay lớp da cũ bằng lớp da mới.
Lại nói Gilgamesh trở về tuy không có được bảo vật hay bí mật về sự bất tử nhưng trong hành trình của mình ông cũng đã học được nhiều kiến thức khác. Gilgamesh tiếp tục trị vị và đưa vương quốc Uruk phát triển hơn nữa. Tương truyền triều đại của Gilgamesh kéo dài 126 năm.