Het verhaal begint in Uruk, een stad in het oude Sumer (Mesopotamië) waar Gilgamesh als koning regeert. Hoewel Gilgamesj sterker is dan enig ander man, klaagt het volk van Uruk dat hij zijn macht misbruikt. De goden horen deze klachten aan en de god Aruru schept Enkidu, een man die even sterk is als Gilgamesj. Aruru vormt Enkidu uit water en klei, in de wildernis. Enkidu leeft in de natuur, in harmonie met de wilde dieren.
Op een dag ontdekt een pelsjager dat Enkidu zijn vallen vernielt. De pelsjager beschrijft Enkidu als de sterkste man ter wereld. Zowel de vader van de pelsjager als Gilgamesj vertellen hem dat als Enkidu met een vrouw naar bed gaat, de dieren waarmee hij samenleeft hem zullen afstoten. De pelsjager brengt dan een tempelprostituee, Shamhat, naar Enkidu, en zij verleidt hem. Als Enkidu daarna terugkeert naar de heuvels waar hij woont, vluchten de dieren voor hem weg.
Enkidu reist uiteindelijk naar Uruk en verspert Gilgamesj de weg tijdens een wandeling in de stad. Ze worstelen, maar Gilgamesj verslaat Enkidu. Ze prijzen elkaars kracht en verklaren zich vrienden.
Door een droom die Enkidu interpreteert, realiseert Gilgamesj zich dat hij nog geen naam voor zichzelf heeft gemaakt. Hij belooft naar het Land van Ceders te reizen en de reus Humbaba, die het bewaakt, te verslaan. Met de hulp van Sjamasj, de zonnegod, verslaan Gilgamesj en Enkidu Humbaba. Humbaba smeekt om vergeving, maar Enkidu deelt de genadeslag uit.
Ishtar, de godin van de liefde, nodigt Gilgamesj uit in haar paleis en doet haar een huwelijksaanzoek. Gilgamesj wijst haar echter af, omdat zij haar vorige minnaars slecht behandelde en hen vaak in beesten veranderde. Woedend over zijn weigering dreigt Ishtar de deuren van de hel in te slaan en de doden vrij te laten tenzij haar vader, Anu, de Stier des Hemels vrijlaat om Gilgamesj te vernietigen. Vanwege haar dreigement doet Anu dat.
De Stier van de Hemel richt een ravage aan in Uruk en doodt velen, maar Gilgamesj en Enkidu verslaan hem. De volgende nacht droomt Enkidu dat de goden bijeen zijn en overeenkomen dat een van hen (Enkidu en Gilgamesj) moet sterven voor het doden van Humbaba en de Hemelstier. Enkidu wordt steeds zieker. Gilgamesj en het volk van Uruk rouwen om Enkidu als hij sterft.
Opnieuw trekt Gilgamesj de wildernis in, nu in de hoop de legendarische Utnapishtim te vinden, die vele jaren eerder een grote overstroming overleefde en onsterfelijkheid kreeg. Na een bergketen te zijn overgestoken die geen mens ooit eerder heeft overgestoken, komt Gilgamesj aan bij de Tuin der Goden. Siduri, die Gilgamesj in het Hof der Goden ontmoet, waarschuwt Gilgamesj dat hij de zee niet zal oversteken. Gilgamesj gaat dan op zoek naar Urshanabi de veerman, en in zijn woede slaat Gilgamesj een essentieel stuk van Urshanabi’s boot kapot. Urshanabi zegt tegen Gilgamesj dat hij 120 houten palen voor hun reis moet klaarmaken, en ze vertrekken.
Na het oversteken van de zee ontmoet Gilgamesj Oetnapisjtim op een eiland en vraagt hem hoe hij het onsterfelijke leven kan verkrijgen. Utnapishtim zegt dat Gilgamesh geen onsterfelijkheid zal vinden, en hij vertelt Gilgamesh een verhaal: Lang geleden, in een stad genaamd Shurrupak, werd de god Enlil ziek van de luidruchtigheid van de stad en creëerde een vloed om de mensheid te vernietigen. Maar een man, Utnapishtim, kreeg in een droom instructies van de god Ea, dat hij een enorme boot moest bouwen. De vloed kwam en Utnapishtim, zijn familie, zijn dieren en zijn ambachtslieden waren veilig. Zij bleven allen op zee totdat een vogel die zij hadden losgelaten, niet terugkeerde naar het schip, omdat hij vermoedelijk de kust had gevonden. De goden bekritiseerden Enlil omdat hij de mensheid te streng had gestraft, en in ruil daarvoor schonk hij Utnapishtim zijn onsterfelijkheid.
Utnapishtim vertelt Gilgamesj dat hij zes dagen en zeven nachten wakker moet blijven om de sympathie van de goden te krijgen. Na het verstrijken van de tijd gelooft Gilgamesj dat hij de hele tijd wakker is gebleven, maar Utnapishtim had elke dag gemarkeerd met een vers brood, en nu ligt er een beschimmeld en niet opgegeten, wat betekent dat Gilgamesj heeft geslapen. Oetnapisjtim verbant de veerman Urshanabi om ooit nog naar zijn eiland terug te keren en zegt hem Gilgamesj terug te brengen over de zee. Voordat zij vertrekken, zegt de vrouw van Utnapishtim dat er onder de zee een plant groeit die de jeugd kan herstellen. Gilgamesj bindt stenen aan zijn voeten en loopt over de bodem van de zee tot hij de plant vindt.
Die nacht echter baadt Gilgamesj in een put, en een slang springt uit de put en grijpt de plant, waarna hij in het water verdwijnt. Gilgamesj en Urshanabi steken vervolgens de zee over, terug naar waar zij oorspronkelijk vandaan kwamen, en reizen naar Uruk. Daar is Gilgamesj trots op de grote muren die hij heeft gebouwd, en we vernemen dat Gilgamesj nog lang herinnerd zal worden als degene die het verhaal van de zondvloed (dat hij samen met de rest van zijn avonturen op tabletten heeft vastgelegd) naar de mensen van Uruk heeft gebracht.
Het laatste deel van het Epos is getiteld “De dood van Gilgamesj”, en kijkt terug op zijn heerschappij nadat hij is gestorven. De god Enlil verklaart dat Gilgamesj langer herinnerd zal worden dan enig ander mens. Het volk van Uruk rouwt om Gilgamesj in de straten. Het epos eindigt met lofprijzingen voor Gilgamesj, waarin hij wordt uitgeroepen tot de beste der mannen en een trouwe dienaar van de goden. Het eindigt met “O Gilgamesj, heer van Kullab, groot is uw lof.”