銀河紀元12020年，統治著兩千五百萬個住人星球、疆域覆蓋整個銀河系的銀河帝國已經屹立了壹萬兩千年，在年輕的大帝克裏昂壹世（Cleon I）的統治下，無論從什麽方面來看，帝國無疑都處於盛世中，史稱“黃昏的回光”。這壹年，32歲的年輕數學家、赫利肯大學助理教授哈裏·謝頓來到銀河帝國首都川陀（Trantor）星球參加帝國十年舉辦壹次的“十年大會”，這是帝國各處最優秀的數學家們的聚會。在這次大會上，謝頓發表了壹篇證明用數學估計未來發展的若幹趨勢及其實現的概率大小的可行性的論文，並稱其為“心理史學（Psychohistory）”。因此他引起了帝國皇帝克裏昂壹世和他的首相－－神秘的伊圖·丹莫茨爾（Eto Demerzel）的註意，他們想要利用他的心理史學來為帝國事實上越來越不穩固的統治服務。但謝頓壹再聲明，他的心理史學只具有理論意義而不具備可操作性，皇帝只得作罷。在謝頓即將返回赫利肯星球時，遇到壹群小流氓的襲擊，壹名自稱是報社記者叫契特·夫銘（Chetter Hummin）的人挺身而出救了他。夫銘告訴謝頓那群小流氓是丹莫茨爾手下的，丹莫茨爾正在追殺謝頓。夫銘還告訴謝頓，根據他所掌握的來自帝國各地的資料，銀河帝國正在緩慢崩潰中，這種崩潰的趨勢雖然因為帝國疆域的龐大而並不顯著，但卻是不可扭轉的。為了全人類的福祉，他請求謝頓發展出真正的心理史學，以挽救衰敗中的帝國。謝頓為其鼓動，決意發展心理史學。為了逃避丹莫茨爾的追蹤，謝頓開始了著名的“大逃亡”時期。
謝頓首先被夫銘安置在川陀的斯璀璘大學（Streeling University），夫銘安排了壹位來自錫納世界的女歷史學家鐸絲·凡納比裏（Dors Venabili）幫助並照顧謝頓。謝頓於是壹邊學習歷史學，壹邊思考心理史學。作為帝國政府的中樞，川陀是壹個被金屬包裹的世界，四百億居民（大都是帝國政府的行政人員）都生活在不見天日的穹頂之下。為了獲得靈感，謝頓跟隨科學考察隊登上斯璀璘大學的穹頂，卻在那裏遇險，被遺忘在冰冷的穹頂上，險些被凍死。後來鐸絲救了他。謝頓認為自己的處境十分危險，夫銘便帶著謝頓和鐸絲離開，前往川陀的其他地方。
他們在夫銘的安排下，來到了川陀上的壹個封閉的地區——麥曲生區（Mycogen）。那裏的人們遵循著嚴格的宗教戒律，他們將身上的毛發去除幹凈，女性處在極端卑微的境地。他們那裏的人極度排外，並且壹直沈湎在過去的傳說中。因為他們的祖先在早期的星際殖民階段曾是第壹個外圍殖民地——奧羅拉（Aurora）星球的開拓者，同時他們的祖先還擁有大量機器人為人類服務，因此極度驕傲和懷舊。不過，他們的微生物培養和發酵技術卻頗為出眾，因此擁有絕頂的美食。
[span]謝頓跟隨壹個麥曲生女子雨點四十三（Raindrop Forty-three）前往他們的微生農場參觀，從她那裏套得了他們的聖典，由此推斷出在他們的聖閣裏有壹個存世兩萬年之久的機器人。謝頓和鐸絲化裝成麥曲生人去探險，卻遭到發現，險些被該區的統治者日主十四（Sunmaster Fourteen）處死。好在夫銘緊急趕來，在夫銘的求情下，他們才得以離開麥曲生區。
他們又來到了貧窮落後的達爾區（Dahl）。在那裏，他們結識了後來的養子芮奇（Raych）和最重要的科研夥伴雨果·阿瑪瑞爾（Yugo Amaryl）。他們都是那裏的“下等人”，芮奇是壹個流浪的小孩，雨果則是當地的工人。達爾區貧富分化十分嚴重。中產階級和富人異常鄙視那些從事體力勞動的“下等人”和體力勞動本身，因此那裏醞釀著爭取平等的革命。
在達爾居住期間，謝頓聽到壹個傳說，內容是當地的貧民區臍眼（Billibotton）住了壹名叫瑞塔嬤嬤（Mother Rittah）的老婦。據雨果的介紹，此老婦知道壹人類起源的傳說。但臍眼是整個達爾最危險的地方，經常發生武鬥。謝頓不理會危險，堅決與鐸絲進入臍眼。在臍眼尋找瑞塔嬤嬤期間，謝頓向壹少年問路，此少年正是芮奇。瑞塔嬤嬤告訴謝頓人類最初生存於地球上，並稱奧羅拉和機器人（被稱為“機仆”）是邪惡之地和物，她還提到拯救地球、擊敗奧羅拉的英雄巴靂（Ba-Lee）和他的機器人幫手丹尼（Da-Nee）。
在離開臍眼期間，謝頓和鐸絲與當地壹些土匪發生械鬥，兩人依靠高超的格鬥技巧竟打倒10人。他們的名聲很快就傳遍整個達爾區，臍眼的壹個秘密領導人達凡（Davan）要接見兩人。達凡領導壹個地下組織，他與衛荷區合作，希望推翻現有的皇帝，建立壹個平等的世界。後來，謝頓兩人被達爾警方追捕，芮奇和達凡帶他們逃到了地下管道裏。
後來他們被帶到了密謀反抗帝國，篡奪皇權已久，且勢力最大的位於川陀南極的衛荷區（Wye）。在那裏，衛荷區的女區長芮喜兒（Rashelle）想要利用謝頓的理論為她奪取帝位營造聲勢和理論依據。就在芮喜兒準備發動政變奪權時，突然出現了大批帝國軍隊繳了衛荷區軍隊的械。芮喜兒企圖殺人滅口，但夫銘突然帶領帝國軍隊出現，救下了謝頓三人。此時，他們方才了解夫銘原來就是壹直試圖追捕和監視他們的帝國首相丹莫茨爾。這時，謝頓利用他在麥曲生聖典上搜集到的證據，指出丹莫茨爾是壹個機器人，而且就是那個默默守護了人類兩萬年的機器人丹尼，並說“夫銘”這個名字取自“人民（human）”。丹莫茨爾承認了自己是機器人，真名叫機·丹尼爾·奧利瓦（R. Daneel Olivaw），並向謝頓介紹了引導他行為的“機器人學三大法則”和“第零法則”，以及他的精神控制能力。丹尼爾希望謝頓為了人類的福祉繼續發展心理史學，謝頓只好同意。同丹尼爾告別後，謝頓已猜到鐸絲實際上是丹尼爾派來保護他的機器人，但仍向她求婚。
至此，謝頓的“大逃亡”時期結束。在這個過程中，他堅定了發展出實際的心理史學的信心。