Double assassinat dans la rue Morgue met en scène le détective Dupin et l'un de ses amis, qui joue le rôle de narrateur. L’histoire se déroule à Paris, au xixe siècle. Cependant, la plupart des lieux cités dans la nouvelle, dont la rue Morgue, n'existent pas.
Le début de la nouvelle est une réflexion sur l'importance qu'on donne à l'analyse dans l'esprit humain. La suite est un exemple qui décrit l'incroyable capacité d'analyse de Dupin, qui devine à quoi pense son ami juste en observant ses mouvements en marchant dans la rue.
Dupin et le narrateur apprennent alors qu'un meurtre déroute les policiers français : on a retrouvé les cadavres de deux femmes de la famille Lespanaye, une mère et sa fille, vivant en vieilles filles dans un immeuble de la rue Morgue. Le corps de la fille présente des marques de strangulation et était violemment encastré dans le conduit de cheminée. Celui de la mère avait la gorge tranchée net, et se trouvait à moitié démembré sur les pavés de la cour derrière l'immeuble.
Or, il n'y a ni mobile pour le crime, ni même une explication plausible. Les fenêtres sont fermées et bloquées de l'intérieur mais personne n'a pu s'enfuir par la porte puisque des gens, entendant les cris, s'y sont précipités. Tous les témoins (les voisins ayant entendu une partie de la scène) s'accordent à dire qu'il y avait deux voix, bien distinctes, dont une grave, parlant français. Cependant, personne ne peut s'accorder sur la deuxième qui paraît étrangère à tous les témoins. Ceux-ci sont pourtant de nationalités diverses et variées.
Dupin décide de résoudre l'affaire. Grâce à ses contacts dans la police, il peut fouiller le lieu du crime, et grâce aux indices, parvient à la conclusion sans que le lecteur ne le sache à ce moment-là.
Avec le sens de la mise en scène qui lui est propre, Dupin décide de mettre une annonce dans le journal signalant qu'il a retrouvé... un orang-outan.
Le soir même, un marin ayant signalé la disparition de son orang-outang vient le