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El Árbol de la ciencia nos presenta la vida de Andrés Hurtado, un estudiante madrileño de medicina y toda su evolución personal, profesional y filosófica hasta su temprana muerte.

En la primera parte del libro el autor describe el Madrid de la época a partir de las vivencias de Andrés en la facultad y en la vida de a pie, en la que suele compartir experiencias con dos amigos a los que critica vivazmente. A Través de uno de ellos(Julio Aracil) conocerá a Lulú, una joven algo fuera de época y sometida por su madre.

A medida que avanza el libro y la vida de Andrés, a su hermano pequeño Luisito se le diagnostica tuberculosis, mortal en la época. En la busca de un clima que lo cure viajan a Valencia y viven primero en un pueblecito y después en la capital con unos parientes. Durante la estancia de Andrés en un pueblo de sustituto, su hermana le comunica al muerte de su querido hermanito.

Tras la muerte de su hermano Andrés frecuenta con más asiduidad la casa de Iturrioz, un tío suyo con el que filosofa y discute sobre múltiples aspectos de la vida en el hemisferio del libro, planteando el enfrentamiento entre Árbol de la Ciencia y Árbol de la Vida que dará nombre a la novela. Andrés defiende a la ciencia como guía del mundo, por encima de los sentimientos y la voluntad del hombre.

Acabada medicina decide aceptar una oferta e ir como médico a un pueblo "entre Andalucía y Castilla" en el que se le mostrarán todos los aspectos de la vida rural de la época: señorito o cacique, bandos políticos igualmente corruptos, nula cultura, pasotismo ante el progreso, costumbres arcaicas y en definitiva un anclaje en el pasado que acaba por hacerle abandonar el puesto.

A su vuelta a la capital consigue colocarse como médico de higiene, para lo que debe tratarse con la masa social más humilde, marginada y enferma de la época. Vuelve a tratar con Julio Aracil y con Lulú, con la que establece un estrecho vínculo y la cual ha ascendido gracias a una buena boda de su hermana.

Finalmente Andrés se declara a Lulú y contraen matrimonio al poco tiempo, además consigue un excelente puesto de traductor para una revista científica y por primera vez está feliz y mira al futuro con ilusión. A pesar de la prevención de su tío Iturrioz del riesgo de tener un hijo con Lulú, otra artrítica, esta queda embarazada al año bajo pesar de Andrés. Tras un parto difícil en el que el niño muere, Lulú también sucumbe a las hemorragias y fallece al poco tiempo. Andrés, asiduo a la morfina se suicida ese mismo día con aconitina; deja este mundo al que tanto criticó, por la puerta de atrás, sin sufrir, sin pensar.