Die Geschichte handelt von Piscine Molitor Patel (kurz: Pi), dem heranwachsenden Sohn eines indischen Zoobesitzers, der mit seinem Zoo und seiner Familie nach Kanada auswandert. Pi ist ein zutiefst spiritueller Mensch und von Kindheit an gläubiger Hindu, lässt sich später christlich taufen und nimmt schließlich die Lehren des Islam an. Das Frachtschiff, das Pi, seine Familie und den Zoo nach Kanada bringen soll, gerät in einen schweren Sturm, kentert und sinkt schließlich. Pi kann sich zusammen mit einer Hyäne, einem Zebra, das sich beim Sturz in das Rettungsboot ein Bein bricht, einem Orang-Utan und einem bengalischen Tiger namens „Richard Parker“ auf ein Rettungsboot retten.
Alle kämpfen ums Überleben, wobei die Hyäne zuerst das Zebra frisst, dann den Orang-Utan und schließlich selbst von Richard Parker, dem Tiger, gefressen wird. Übrig bleiben Pi und der Tiger. Anfangs sieht Pi den Tiger als Bedrohung für sein eigenes Überleben und versucht, Distanz zu wahren. Richard Parker hingegen ist ein gefährliches Raubtier, das Pi als seine Beute betrachtet. Doch mit der Zeit finden Pi und Richard Parker eine Art seltsamen Frieden. Da sie auf engstem Raum miteinander auskommen müssen, entsteht eine gewisse Abhängigkeit voneinander. Pi lernt, den Tiger zu kontrollieren und ihn mit den begrenzten Ressourcen an Bord des Rettungsbootes zu füttern. Richard Parker wiederum scheint sich an Pi zu gewöhnen und ihn nicht mehr als direkte Bedrohung zu empfinden. Sie teilen gemeinsame Erlebnisse, meistern gemeinsam schwierige Situationen und sind aufeinander angewiesen, um zu überleben. Obwohl Pi die Grenzen zwischen Mensch und Tier nie vergisst, entwickelt sich zwischen ihnen eine ungewöhnliche Beziehung, die sowohl von Furcht als auch von einer gewissen Sympathie geprägt ist.
In der Geschichte erreicht Pi schließlich nach Monaten die mexikanische Küste. Dort verschwindet Richard Parker unbemerkt im Dschungel, ohne sich von Pi zu verabschieden oder eine Spur von ihm zu hinterlassen. Pi selbst wird gerettet und findet Sicherheit und Geborgenheit in der Zivilisation. Von den Behörden nach dem Unfallhergang und seinem Überlebenskampf befragt, erzählt er die Geschichte von der Hyäne, die das Zebra und den Orang-Utan fraß, von Richard Parker, der die Hyäne fraß, und von seiner zwiespältigen Beziehung zu Richard Parker.
Eine Geschichte, die so unvorstellbar ist, dass die Ermittler ihr nicht glauben und Pi bitten, eine andere Geschichte zu erzählen. In der alternativen Geschichte, die Pi den Ermittlern erzählt, sind die Hauptfiguren Menschen anstelle von Tieren. Die Geschichte handelt von einem Koch, einem Matrosen und Pis Mutter, die zusammen mit Pi auf dem Rettungsboot gestrandet sind. In dieser Version der Geschichte entwickelt sich ein Konflikt zwischen dem Koch und dem Matrosen, der schließlich in Gewalt und Mord ausartet. Der Koch tötet den Matrosen, um seinen eigenen Hunger zu stillen, und zwingt Pi, beim Kannibalismus mitzumachen. Die Mutter von Pi wird ebenfalls Opfer des Kannibalismus, und Pi selbst tötet später den Koch in Notwehr.
Pi befindet sich am Ende des Romans in einem Gespräch mit einem Schriftsteller, dem er die Geschichte viele Jahre nach dem Unglück erzählt. Er lässt ihm die Wahl, welche der beiden Geschichten die bessere sei. Der Schriftsteller entschied sich für die Geschichte der Tiere, da dies die schönere sei. Pi antwortete: „Und genauso ist es mit Gott“.
Der Satz „Und genauso ist es mit Gott“ ist eine entscheidende Aussage, die den Schlüssel zum Verständnis der philosophischen und spirituellen Botschaft des Romans liefert. Der Satz könnte bedeuten, dass der Glaube an Gott und die verschiedenen Religionen ebenso eine menschliche Konstruktion sind wie die Geschichten, die Pi erzählt. Es spielt keine Rolle, ob man an einen bestimmten Gott oder eine spezifische Religion glaubt – alle Glaubenssysteme können eine Bedeutung und Wahrheit für den Einzelnen haben. Es geht darum, dass der Mensch einen Glauben braucht, um mit der Welt um ihn herum umzugehen und einen Sinn in seinem Leben zu finden.
