本書共14章，分為三個部分，每一個部分都是由一個現實問題來啟動。
第一部分 描繪深度學習
第一章 學生的深度學習需要教育者的深度學習。「培養學生，是為了他們的未來而不是我們的過去」，因此，教師必然面臨為自己未曾經過的未來而教。圍繞三個重要問題：全體學生必須學的東西是什麼（課程）、怎樣教會深度學習（教學法）和怎麼知道學生學會了（評價），構建專業教師共同體，為教師提供強有力的深度學習制度支持。
第二章 思維品性：朝向深度學習的通途。深度學習不是簡單的學習技巧，更是一種思維的品性。本章作者提出了16種與深度學習相關的思維品性，在實踐中摸索出7種培養策略，提出了評估的3種工具，並提供了2個學校實施的案例。
第三章 範式轉換：培養富有創造性和創業精神的學生。作者站在歷史的高度，指出以批判性思維、個性化、創造力為代表的新教育，是學校教育範式從工業時代「就業導向」邁向全球化時代的「創業導向」的範式轉換。這一章的價值，在於讓讀者認識到，深度學習不是將批判性思維和問題解決變成一些教學套路就實現了，本質上我們要藉此建立世界一流教育，其三個基本要素為學習的自主性（關於學什麼）、以結果為導向的學習（關於如何學）和全球化校園（關於在哪裡學）。
第四章 「基於項目的學習（PBL）+技術」為學習充電。本章作者通過具體實例展示了基於項目的學習與不斷擴展的數字工具組合，以開展並拓展深度學習的教學的價值。作者總結了易於訪問的技術工具幫助學生發展獲取、分析和組織信息，連接起學習者和同伴及專家，創建新的內容，促進與真實的觀眾分享結果，等等。並引導讀者展望混合學習、創客空間和快速原型化的未來可能性。
第五章 為深度學習培養教師。「學校裡最大的諷刺是，我們期望教師能夠塑造、發展學生的21世紀技能，但是教師自己卻沒有在21世紀工作環境中工作過。」本章作者選擇來自高科技高中的理論與實踐庫裡的多個生動具體的示例，展示了學校實境中的教師專業成長，以及在高科技高中的教師專業發展過程中沉澱下來的結構化工具或結構：日常安排表、教師聘用過程、面向新聘教師和熟練教師專業發展的正式結構，以及為了深度學習的教師領導力的發展。本章可以作為第一章的案例解說。
第二部分 驅動深度學習
第六章 最壞的時代，最好的時代。在作者看來，當今教育無法為快速發展、急劇變革的經濟提供適用人才，很多教育改革有名無實，這是「最壞的時代」。在這個時代裡，無論《共同核心州立標準》中存在什麼好的要素，一定會在以應試為中心的課程中丟失殆盡。與此同時，遠徵學習學校、高科技中學、新技術中學等全美十餘個學校網絡中的五百多所學校參與了「深度學習創新項目」，又帶來一個教育改革的「最好的時代」。作者呼籲，改進評價，將教育的問責系統從1.0版推向2.0版。
第七章 通往深度學習的路線圖。本章在全美10個進行深度學習變革的學校網絡的幾百所先驅學校的經驗基礎上，提煉包括學校文化、學習、教學、評價、教師發展、學習工具等在內的共享實踐特徵群，發現深度學習生態系統的所有共同要素。由此出發，作者介紹了學校和學區改革的兩個知名模型，重點強調了「深度學習的學區變革模型」，並提供了納帕學區的個案介紹，旨在指導任何有意願的學校或學區領導通過轉型過程實現所有人的深度學習。
第八章 21世紀課程：一個亟待解決的全球性議題。本章圍繞一個核心問題：「21世紀的學生，應該學習什麼？」站在全球化視野中看待課程內容的更新問題。作者認為21世紀中劇烈變化的因素包括與人有關的因素（人類壽命延長、全球互聯互通和環境壓力）和與技術有關的因素（智能機器和智能系統的興起，數據和新媒體的爆炸式增長和擴增人類的可能性），在課程中都應該相應地予以回應，從知識、技能、品格、元認知四個維度重新塑造課程，並關照實踐的作用。
第九章 深度學習的評價系統。本章作者挑戰的是深度學習改革中的攻堅難題——評價。作者認為，高質量的評價系統要能夠滿足《共同核心州立標準》中具有廣泛認知複雜度的能力，還要能夠應對《共同核心州立標準》沒有覆蓋,但是對於大學和職業準備很重要的其他能力。本章提煉了這一評價系統的特徵。除了州際通用的評價系統，本章還列舉了美國新罕布夏州、俄亥俄州，澳大利亞昆士蘭州等州層面的評價設計案例。
第三部分 支撐深度學習
第十章 突破性學習。本章作者以自己對教育變革的深刻洞察力，將深度學習的全系統實施作為突破，命名為「突破性學習」。以加拿大安大略省的深度學習系統實踐為例，闡述了這一學習系統的推—拉力機制、新教學法和新的變革領導力，並預示了未來深度學習活動的爆發。
第十一章 背水一戰：一種深度學習的經驗。通過採取孤注一擲的方法代替應急式的小修小補方法，學生可以脫穎而出，教師可以脫穎而出，整個學校都可以脫穎而出——來自馬諾新技術高中的強有力的數據很好地闡釋了這一點。21世紀技能和深度學習不是空想的理論。它們已被證實，事實勝過雄辯。
第十二章 關注新動向：新千年之際的學校領導力。領導力的4C即情境、文化、條件、能力，以實地學校領導者和區域內學校領導者的視角，找到了適合學校的具體策略和行動，幫助未來的領導者作好準備，以更好地迎接更具挑戰性和更加動態變化的外在環境。
第十三章 學區的關鍵作用。變革不是某個學校校長和教師的孤獨戰鬥，而學區的作用和變革策略將會撬動一簇學校的變化。本章以作者在全美學區和學校領導者網絡EdLeader21的實踐為基礎，探索學區督學、顧問和教育領導者以怎樣的路徑來發動全學區向深度學習轉變，提出了7個步驟的建議。
第十四章 以槓桿撬動變革：州的角色。本章作者一位是21世紀技能夥伴組織的領導者，一位是「州官」，共同聚焦「深度學習的變革，州應該怎麼做」這一話題，作為全書壓軸，足以看到朝向21世紀技能的變革中州這一層面的作用。儘管各州法律不同、州對學區的影響力也有所不同，但作者從19個21世紀技能組織的成員州的十年經驗中精煉出了撬動全州變革的6個主要槓桿，為其他州如何影響21世紀變革提供了參考。