הארי פוטר (דניאל רדקליף) פותח את שנתו השנייה בבית הספר הוגוורטס, אך לא לפני שהוא מתמודד שוב עם הקשיים בבית משפחת דארסלי, שם הוא מרגיש מוזנח ושכוח על ידי חבריו. דווקא כשהוא מנסה להתחיל פרק חדש, הוא מקבל אזהרות מסוכנות מדובי, האלף הבית דובי, שמנסה להרחיק אותו מהוגוורטס בשל סכנה גדולה שמאיימת על בית הספר. דובי אף מונע מהארי לקבל מכתבים מחבריו, אך למרות זאת הארי מתעקש להגיע לבית הספר ולהתמודד עם האתגרים שמחכים לו.
ברגעים קריטיים, רון ויזלי (רופרט גרינט) ואחיו הגדולים מגיעים לעזרתו של הארי באמצעות מכונית מעופפת, ומצילים אותו מהקשיים בבית משפחת דארסלי. בבית הספר מתגלה כי כוח אפל מסתתר בחדר הסודות, מקום מסתורי שהופך לאיום ממשי על התלמידים ועל עתיד הוגוורטס. הארי, יחד עם חבריו הרמיוני (אמה ווטסון) ורון, יוצאים לחקור את הסודות האפלים ולגלות מי עומד מאחורי האירועים המסוכנים שמטרידים את בית הספר. הארי נאלץ להתמודד עם פחדים חדשים, בגידות וחשדות, ואף מתמודד עם תחושת בדידות כשהוא מרגיש שהחברים שלו מתרחקים. עם זאת, נחישותו ואומץ ליבו מובילים אותו לגלות את האמת ולהילחם בכוחות האופל המאיימים על הוגוורטס. במהלך המסע הארי לומד על חשיבות החברות, האמון והנאמנות, כשהוא יודע שהגורל של בית הספר ושל חבריו תלוי ביכולתו לשרוד את האתגרים שמציבים בפניו את חדר הסודות. בסופו של דבר, הארי מצליח לחשוף את זהותו האמיתית של היורש של סלזיר סלית'רין ולהשמיד את הסלינקס, הנחש הענק ששוחרר מחדר הסודות. הוא מציל את ג'יני וויזלי, אחותו הקטנה של רון, שהייתה תחת שליטת הנחש. בעקבות האירועים, דובי משוחרר מעבדותו ונהפך לחופשי. הארי חוזר אל חבריו ומבין שעם אומץ, נאמנות וחברות אמיתית אפשר להתגבר על כל סכנה, גם כשהעולם נראה חשוך ומפחיד.
