A história é narrada pelo personagem principal, Sérgio, já adulto, em primeira pessoa e de forma não linear. O livro inicia-se com os primeiros contatos de Sérgio com o Ateneu, colégio interno no qual o pai o matricula, ainda mesmo antes de ele ser admitido para matrícula pelo rígido diretor do estabelecimento, Aristarco. A entrada de Sérgio no Ateneu representa, para ele, a passagem para a idade adulta, por conta de seu afastamento dos pais, sobretudo dos carinhos e proteção maternos. Antes disso, cursara apenas algumas aulas em um externato familiar e tivera aulas com um preceptor.
O Ateneu era uma instituição de ensino para filhos de famílias abastadas, ainda que admitisse alguns poucos alunos pelas vias da caridade. Por isso, seus educandos representavam “a fina flor da mocidade brasileira”, recebendo alunos de diversos estados brasileiros que eram enviados à corte e ao estabelecimento de Aristarco por conta da fama do pedagogo e dos livros que este enviava a todos os cantos do país à guisa de propaganda de sua instituição. Localizava-se, segundo a narrativa, no bairro do Rio Comprido, que teve sua urbanização iniciada em 1812 e já no século XIX recebeu uma pequena leva de imigrantes ingleses, depois de ter sido usada como área de cultivo da cana de açúcar (século XVII) e café (século XVIII e XIX).
Antes de sua matrícula, Sérgio e o pai foram recebidos por Aristarco em sua residência, a qual se localizava ao lado do Ateneu. Nesta ocasião, Sérgio conhece D. Ema, a única pessoa que lhe iria tratar com candura desinteressada em seus anos no Ateneu e por quem irá nutrir uma paixão platônica. No primeiro dia de aula, Sérgio foi recebido na sala do professor, e vislumbra as diferenças na recepção dada pelo professor aos alunos, de acordo com o grau de importância de sua família. Após se despedir do pai, Sérgio sentiu-se deslocado, mas foi de imediato recomendado pelo professor, Mânlio, a um dos melhores alunos, Rebelo, que lhe deu, então, inúmeras recomendações sobre o “microcosmo” do Ateneu – e as amizades que deveria evitar, as atitudes das quais deveria se esquivar, os tipos nos quais não deveria se transformar, sobretudo recomenda-o sobre as deturpações de gênero que se observam naquela realidade de colégio interno de rapazes, aconselhando-o a ser forte e não admitir protetores. A narrativa, então, faz uma pausa para uma descrição de alguns dos primeiros colegas de classe de Sérgio, com destaque para o Sanches, o primeiro da turma, de quem Sérgio iria se aproximar mais adiante. Conheceu também outros alunos do Ateneu, como o Franco, sempre usado por Aristarco como exemplo negativo e, por conta disso, continuamente humilhado.Na primeira aula, ao ser chamado pelo professor Mânlio ao quadro, Sérgio sofreu um desmaio e é levado para a rouparia, onde vê por acaso um exemplar de folheto obsceno pertencente ao roupeiro. Depois do vexame do desmaio, começa a ser ridicularizado e assediado por Barbalho, com quem tem sua primeira briga. Ao final deste primeiro dia de aulas, Sérgio sentiu que seus ideais de camaradagem, de crescimento pelo conhecimento, de grandeza moral despertados pelos eventos que assistira antes de entrar no Ateneu dificilmente seriam aplicáveis àquela realidade. A narrativa salta para um episódio no qual Sérgio é salvo de um afogamento por Sanches – um afogamento que Sérgio suspeita ter sido provocado pelo próprio Sanches durante uma aula de natação; tal hipótese parece acertada pela proximidade que se criou a posteriori: por conta do salvamento, Sérgio sentiu-se em compromisso de gratidão com o Sanches, e se tornou muito próximo a este. Sérgio viu em Sanches um protetor e uma companhia vantajosa em termos acadêmicos, já que este último era o primeiro da classe. Com o tempo, contudo, Sanches forçou uma aproximação, insinuando-se para Sérgio, que o repeliu; isso fez com que Sanches se tornasse inimigo de Sérgio e, como vigilante que era, ele começou a usar sua ascendência como tal para prejudicar e ferir Sérgio.
O episódio com o Sanches fez com que Sérgio se tornasse de bom aluno a um dos que freqüentavam o temido “livro de notas” de Aristarco, no qual os professores anotavam as supostas indisciplinas dos alunos faltosos, as quais sempre rendiam humilhações públicas comandadas por Aristarco por ocasião das refeições. Ele converteu-se também em religioso, mas para uma espécie de religiosidade particular, mística, sem respaldo dos sacramentos católicos. Sua condição de deprimido e faltoso contumaz fez com que ele se aproximasse do Franco – uma amizade que despertou o desprezo dos inspetores e do próprio diretor. Após uma terrível traquinagem de Franco que, por sorte, não rendera frutos, Sérgio decidiu-se por se tornar independente, sobretudo depois de uma breve aproximação com o Barreto, um aluno beato para quem a religião girava em torno de um sem-número de objetos de adoração e dos castigos do inferno guardados para os pecadores – uma religiosidade que fez apagar as últimas chamas de fervor de Sérgio. Tornou-se, depois de uma visita ao pai, na qual lhe contou a “verdade” sobre o Ateneu, mais altivo e independente e, por isso, angariou a animosidade de muitos.
Chegou, então, à escola um novo aluno, o Nearco, filho de uma nobre família pernambucana e atleta valoroso, além de excelente orador, destacado no grêmio literário do colégio, chamado “Grêmio Amor ao Saber”. Nas reuniões do tal grêmio, Sérgio comparecia como simples assistente e, como a agremiação possuía farta biblioteca, Sérgio começou a freqüentá-la, travando amizade com o Bento Alves, um aluno gaúcho, mais velho que ele e que trabalhava como bibliotecário. A amizade entre os dois tornou-se imensamente íntima e próxima; Sérgio assim o permitiu, e logo a proximidade entre ele e o Bento Alves começou a gerar comentários no Ateneu. Paralelamente a estes fatos, ocorre um assassinato passional nas dependências da escola: um jardineiro mata, a facadas, um outro funcionário, por amor a uma mulher, Ângela, uma espanhola que trabalhava em casa de Aristarco e D. Ema.
Sérgio narra, então, os exames primários e a ocorrência de uma exposição artística: é o início de um novo ano, e o narrador fala dos passeios e jornadas programados por Aristarco, em especial de um jantar no Jardim Botânico no qual ficam evidenciados os maus modos de alunos e inspetores. Bento Alves, que no início do ano mostra-se amoroso com Sérgio, repentinamente voltou-se contra este e espancou-o sem maiores explicações; Sérgio reagiu e, no calor da briga, acaba por agredir também Aristarco, que surgiu a tempo de apartar os dois alunos. Curiosamente, Sérgio não é castigado pelo gesto ousado. Há, a seguir, a revelação pelo diretor da descoberta de um caso de “amor” entre dois alunos, feita a partir de uma carta encontrada por um dos inspetores na qual Cândido – que no bilhete assina como “Cândida” – aceita um convite de outro aluno, Emílio, para um encontro no jardim. Aristarco humilha-os publicamente, a eles e aos supostos cúmplices, outros alunos que conheciam o fato e não teriam denunciado ao diretor. Em seguida ao evento, alunos amotinam-se contra Silvino, um inspetor que resolveu humilhar Franco sem razão aparente, e o motim de alunos é motivo de escândalo do diretor que, no entanto, por razões econômicas – para não perder os alunos – resolveu amainar a situação, conversando mansamente com os alunos e colocando “panos quentes” no assunto.
Sérgio conquistou um amigo verdadeiro, Egbert, de origem inglesa, com quem o narrador construiu uma amizade sem interesses, com quem compartilhou o amor ao saber e arriscou-se a escrever seus primeiros versos. Com Egbert, foi também a um jantar em casa de Aristarco, por conta de terem se destacado nos estudos, e teve a oportunidade de rever D. Ema, que o reconheceu. Chegaram, então, os tempos dos exames na secretaria de Instrução Pública. À época, Sérgio já dormia no alojamento dos alunos maiores, onde viveu um ambiente mais “adulto” e, também, mais propício para novas peripécias, como a de espiar o sono do inspetor Silvino ou entrar no grupo dos que haviam criado uma passagem secreta por uma janela para o jardim de Aristarco; por conta desta passagem é que engendra uma vingança a Rômulo, que lhe espancara no passado, deixando-o do lado de fora do prédio, no jardim do diretor, sem jeito de voltar ao alojamento. Morre o amigo Franco, vítima dos maus tratos que sempre sofrera tanto em casa, quanto dos funcionários do Ateneu.Ao término do ano letivo, os alunos cotizaram-se e mandaram erigir um busto em bronze do diretor que, orgulhoso, primeiramente se sente lisonjeado com a homenagem e, posteriormente, em insensata competição com a estátua. “O Ateneu” termina com o fim da própria instituição, consumida por um incêndio que acreditam ser criminoso, causado por um aluno recém-admitido, Américo, que ali estava forçado pelo pai. Aristarco viu seu patrimônio ser dilapidado pelas chamas, enquanto Sérgio, que por dias e dias estava em casa do diretor sob os cuidados de D. Ema, que demonstrou ter imenso amor maternal pelo jovem, acompanhava a derrocada final do impassível diretor.
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