Momo est une petite fille qui vit dans les ruines d'un amphithéâtre à l'écart de la ville. Là, elle invente des jeux avec les enfants, et discute parfois avec des adultes. Ses deux meilleurs amis sont Beppo, un balayeur des rues, et Gigi, qui est guide pour touristes. Le quotidien de Momo et de ses amis est menacé lorsque d'étranges hommes vêtus de gris commencent à apparaître régulièrement dans la ville, toujours accompagnés de courants d'air froid et d'une insupportable odeur de cigare. Les Hommes en gris sont les représentants de la Banque de sauvegarde du Temps : ils proposent aux habitants de la ville de déposer une partie de leur temps à la Banque, qui le leur rendra plus tard avec des intérêts. Les gens à qui ils parlent oublient tout des Hommes en gris, mais gardent en tête la consigne d'épargner autant de temps que possible.
La vie en ville est peu à peu transformée par ce nouvel état d'esprit : toutes les activités considérées comme des pertes de temps, par exemple les loisirs, les arts, la vie sociale ou le sommeil, sont abandonnées ou réduites autant que possible, les bâtiment et les objets sont tous produits à l'identique afin de gagner du temps, et le rythme du quotidien atteint progressivement une cadence infernale. De plus, les habitants ne profitent finalement jamais du temps qu'ils épargnent. Ce temps reste indéfiniment enfermé à la Banque, où il est concrétisé par des lys ; les Hommes en gris utilisent ces pétales pour se confectionner des cigares qu'ils fument, et le temps ainsi fumé est perdu.
Momo est la seule à ne pas donner prise aux manœuvres des Hommes en gris, car elle n'a pas la même personnalité que les autres. Les Hommes en gris élaborent plusieurs plans pour l'attirer ou la capturer, sans succès. Mais Momo voit tous ses amis tomber les uns après les autres sous l'influence des Hommes en gris, et se retrouve seule face à ses ennemis. En cherchant un moyen de sauver la ville, la petite fille entend parler du mystérieux professeur du Temps, Secundus Minutus Hora, et de la tortue Cassiopée, qui est capable de voir une demi-heure dans le futur.
Statue d'Ulrike Enders représentant Momo sur la place Michael Ende à Hanovre en Allemagne.