第二次世界大战爆发后，处在法西斯奴役下的欧洲人民都盼望着逃到美国。葡萄牙的里斯本成了人们心目中的理想跳板，但并非人人都能顺利地直接来到里斯本。绝大多数人是先到法属摩洛哥的卡萨布兰卡，想办法获得离境签证，才能去里斯本。在卡萨布兰卡，幸运的人——靠钱，或者靠势力，或者靠运气——获得签证。而其他的人，就只能在卡萨布兰卡没完没了地等待。
一天，市里的气氛突然紧张起来，警察到处搜查，抓了大批难民。因为两个德国信使被杀了。德国的斯特拉瑟少校为此从柏林赶到了卡萨布兰卡，一下飞机就向当地的警察局长——雷诺特上尉，一个法国人——强调了这个案子的重要性。雷诺特保证今晚将在里克夜总会抓住凶手。少校此程还有一个更重要的目的，那就是想办法阻止维克多·拉兹罗出境，阻止他逃往美国。拉兹罗是欧洲反德运动的领导人，目前也逃到了卡萨布兰卡。
里克夜总会是个奢华时髦的夜总会，弥漫着复杂、诡秘的气氛。每天晚上，形形色色的人都聚集到这里。老板里克是个神秘的美国人。他外表冷漠，总是一副玩世不恭的神态，谁也无法猜透他心里在想什么。他为了逃避盖世太保的追捕，从巴黎来到卡萨布兰卡。
尤迦蒂是个签证贩子，他杀了德国信使拿到了两张特别通行证，准备高价卖出，然后洗手不干了。他请里克帮他保管通行证，里克答应了。他把通行证藏在了夜总会的钢琴里。雷诺特也来到了夜总会，说他们今晚在夜总会内要抓人，警告里克不能去通风报信，而且告诉他，拉兹罗也来到了卡萨布兰卡，打算以重金购买出境签证，告诫里克不要给他提供帮助，里克表示他一向不管别人的闲事。
斯特拉瑟少校也来到了夜总会，他要看看当地警察的效率如何。雷诺特包围了夜总会，尤迦蒂还毫不知情，仍在赌钱，警察毫不费力就抓住了他。斯特拉瑟警告里克不要同情拉兹罗，他们早已经把里克的过去调查得清清楚楚了。里克表示他只是个开夜总会的生意人，对政治不感兴趣，便走了。钢琴师山姆悠然地弹着一首抒情的曲子，边弹边环顾四周，突然他的手指颤抖了，呆呆地望向门厅，一男一女走进来，是拉兹罗和一位美貌女子，是伊尔莎！她穿了一件雪白的夜礼服，吸引了全体人的注意。那个女子漫不经心地四下望着，她看见山姆时也愣了一下。拉兹罗坐下后，奇怪怎么没有看见相貌像尤迦蒂的人。雷诺特和斯特拉瑟朝他们走来了，强硬命令他们明天上午10点到警察局办公室。之后，一个名叫伯杰的反德地下组织成员借着兜售戒指的方式和拉兹罗在酒吧柜交谈起来，拉兹罗得知尤迦蒂刚刚被警方逮捕了。
雷诺特趁机向美丽的伊尔沙献殷勤，伊尔莎从他嘴里得知这家夜总会的老板是来自巴黎的里克。山姆跟着里克从巴黎一起来到这里。伊尔莎示意山姆过来，山姆又好奇又惧怕地推着钢琴过来了。伊尔莎问他里克在哪儿，但山姆撒谎说他不知道。伊尔莎请他弹《时光流逝》这支在巴黎常弹的老曲子。山姆只好答应了。里克在赌场里听到歌声，脸色铁青地走出来，责备山姆为什么要弹这首曲子。突然，里克愣住了，他看见伊尔莎站在钢琴边。里克脸色惨白，开始挪动脚步，但仍然目不转睛地注视着她。伊尔莎的目光也随着里克的脚步而移动。与此同时，雷诺特和拉兹罗从酒吧柜那边走了过来。伊尔莎克制住自己的情绪，主动向里克握手问好，并把拉兹罗介绍给他。由于卡萨布兰卡实行宵禁，伊尔莎和拉兹罗告别里克回寓所去。
夜总会内顾客全走了。山姆熄掉了屋内的最后几盏灯。里克还坐在原来的那张桌子旁，面前放着一瓶威士忌酒。里克呆呆地坐着，脸上毫无表情地看着那杯酒。山姆招呼老板该回去睡觉了。里克感慨全世界那么多城市，那么多酒店伊尔莎不去，为什么偏偏走进他的店里来。他让山姆为他弹那首《时光流逝》。在音乐声中，里克却陷入了对往事的回忆。他和伊尔莎在巴黎有过一段甜蜜的恋情。在香榭丽舍大道上，在塞纳河的游艇上都留下过他们互相偎依的身影。伊尔莎曾告诉过他，她曾经有过其他男人，但已经死了。他们约好，不追问对方的过去。
德国军队不断向巴黎推进，就要进城了。伊尔莎担心里克被捕，但里克却处之泰然。他们来到晨曦饭店，山姆兴高采烈地弹着《时光流逝》。饭店内只有伊尔莎在听，其他人都上大街听广播了。她显得心事重重——但不全跟战争有关。广播里传出盖世太保明天进军巴黎。伊尔莎悲伤地苦笑，她和里克偏偏在这个天下大乱的时候相爱。里克把她搂在怀里，热烈地吻着她。伊尔莎让里克必须离开巴黎，里克要求他们一起走，伊尔莎不让里克到旅馆去接她，而是让里克4点3刻在车站等她。里克一想到能和伊尔莎一起走，十分兴奋，甚至提出结婚的请求。但伊尔莎突然哀伤地饮泣起来，对里克说：“我爱你，我恨透了德国人。这是个疯狂的世界，什么事都会发生。要是我们由于某种原因被分开了，我要你明白……”她说不下去了，让里克吻她，就当这是永别的最后一吻。虽然这话充满了不祥的预感，但里克不愿往那方面想。
第二天下午下着大雨，里克在里昂车站焦急地等着伊尔莎，这是驶离巴黎的最后一班火车。伊尔莎始终没有出现，而离开车只有两分钟了！突然，山姆拿着一个信封出现了。山姆说他找不到她，她退房走了，留下了这封信。信上说她不能和里克走，也不能和里克见面了，请里克千万不要问她为什么，只要相信她爱他。雨点打在纸上，字迹模糊了。火车汽笛响了最后一声，山姆快急疯了，催促里克快上车。里克脑中一片空白，不得不上了火车。
里克的思绪又回到了现在。机场探照灯照亮了他的眼睛，他随灯光转过头去，只见伊尔莎站在门口。伊尔莎往前走来。里克冷冰冰地说他们已经打烊了。伊尔莎特地回来是有话要说。里克的脸色冷若冰霜。伊尔莎想倾诉她的身世和当时失约的原因，但里克却不断冷嘲热讽，这种态度令伊尔莎无法忍受，只好转身离去。里克的头垂到桌上，把酒杯碰翻了，酒滴滴答答地顺着台布往下流。
由于从尤迦蒂身上找不到特别通行证，所以斯特拉瑟怀疑尤迦蒂把特别通行证交给了里克，指示雷诺特全面搜查夜总会。雷诺特照办了，但找不到。拉兹罗和伊尔莎准时来到了警察局。斯特拉瑟利诱拉兹罗说出欧洲各地地下运动的领导人的名字，就马上给他出境签证，拉兹罗完全拒绝。拉兹罗和伊尔莎离去后，雷诺特派人盯梢——他知道他们一定会去黑市购买签证。
他们来到蓝鹦鹉咖啡馆，这个咖啡馆位于市内的土著居住区。老板是弗拉里先生，他是卡萨布兰卡黑市的垄断人物。里克在拉兹罗之前先到了咖啡馆，他来提货。弗拉里建议由夫，甚至在巴黎他们相遇时，他就已经是她的丈夫了。里克转身走了，伊尔莎进入咖啡馆。
拉兹罗请弗拉里为他们弄两张签证。但弗拉里表示他只能为伊尔莎弄一张，为拉兹罗搞他就可能掉脑袋。拉兹罗劝说伊尔莎自己先到美国，但伊尔莎坚决不肯，一定要和拉兹罗在一起。弗拉里欣赏这对夫妇的勇气，建议他们去找里克试试，看是否能拿到两张特别通行证。伊尔莎似有所动。
里克回到夜总会，整顿好被警察弄得一塌糊涂的场地，又开始营业了。一个法国军官和一个德国军官差点打起来。斯特拉瑟目睹了这一切，担忧德国对法属地区的控制能力。他们清楚法属各地都有叛逆者，在等待着领袖，比如像拉兹罗这样的人物。斯特拉瑟认为放拉兹罗走当然危险，把他滞留在卡萨布兰卡也同样危险。他暗示雷诺特找借口逮捕他，把他干掉。
伊尔莎和拉兹罗也来到了夜总会。里克请山姆为她演奏《时光流逝》。拉兹罗来找里克，请里克把通行证卖给他。他愿出10万法郎，里克拒绝了，拉兹罗加到20万法郎，里克说就算加到100万法郎他也不卖。拉兹罗知道这其中定有原因，可里克让他去问他妻子。
此时两个德国军官手握着啤酒杯站在钢琴边上，唱着《保卫莱茵河》。斯特拉瑟等几个德国人起劲地唱着。全夜总会的人都注视着他们。一个法国军官变了脸，起身上前。侍者悄悄将他拉住了。里克从办公室出来，他像往常一样绷着脸听德国人唱歌。拉兹罗也出来了，听到这个歌声他咬着牙走到乐队那里，指挥乐队演奏《马赛曲》，乐队望着里克，里克微微地点了头，乐队演奏起来。在拉兹罗的带领下，越来越多的人加入了演唱法国国歌的行列中，德国人的歌声完全被淹没了，他们只得陆陆续续停下来。歌曲以高昂的调子结束。斯特拉瑟气冲冲地命令雷诺特立即关闭夜总会。斯特拉瑟威胁伊尔莎，拉兹罗要么选择回到法国，要么就面临在卡萨布兰卡被暗杀的命运。
伊尔莎和拉兹罗回到旅馆。拉兹罗看到街对面有个人站在房子的门口，知道特务还在。伊尔莎有些担心，劝他今晚不要参加秘密集会了。但拉兹罗认为应该继续努力，既然里克拒绝了他们，他们就别无选择了。听了这话，伊尔莎转过身去，避免流露出她的感情。拉兹罗若有所思地看着她。伊尔莎很不自在地问拉兹罗，里克是否说明了拒绝的理由。拉兹罗说他不明白里克为什么要他问他的妻子。伊尔莎扭过头去。拉兹罗在她身边坐下。沉默了一会儿，最后拉兹罗心平静气地说：“我在集中营的时候，你是一个人在巴黎吗？”伊尔莎：“我是一个人。”拉兹罗同情地说：“我理解孤独的滋味，你有什么要告诉我吗？”伊尔莎嘴唇抖动，最终说“没有”。片刻沉默，拉兹罗说“我非常爱你，亲爱的。”过了一会儿，拉兹罗起身走了，参加集会。
拉兹罗走后，伊尔莎穿上外衣，她要去找里克。里克算完账后回到住处，发现伊尔莎已经在屋内了。伊尔莎请他一定要给他们通行证，他可以开任何价钱，可以提任何条件，请他把个人感情抛开来处理这件更重要的事。里克还是不答应。静默了片刻，伊尔莎又从另一个角度来谈，里克和她曾经相爱过，如果里克知道了那天的实际情况，但里克打断了她的话，认为她是出于达到目的而又在骗人。伊尔莎被激起了怒火，责问他在如此紧要的关头却感情用事，仅仅因为一个女人伤害了他，就把仇恨发泄到世界其他人身上。里克突然发现伊尔莎拔出枪对准了他。伊尔莎命令里克把通行证给她。里克说通行证就在他身上，不把他打死就休想拿到，他让伊尔莎尽管开枪吧。伊尔莎手指扣在板机上，突然她的手颤抖起来，手枪掉到了桌上。她垮了下来，用手捂住脸，里克向她走来，伊尔莎再也控制不住，投入了他的怀抱。她现在还是那么爱里克！
她讲出了当年抛弃里克的原因。伊尔莎和拉兹罗结婚才三个星期，拉兹罗就被逮捕送进了集中营，不久谣传他死了。在她孑然一身，前途茫然的时候，她遇上了里克。但她保守已婚的秘密的原因是她认识拉兹罗的朋友，如果盖世太保知道她是拉兹罗的妻子，那么她会有危险，拉兹罗的朋友也会有危险。当她和里克准备逃出巴黎时，她突然接到拉兹罗朋友的电话，说拉兹罗并没有死，正躲在巴黎的郊区养病。妻子的责任感使伊尔莎只好忍痛离开里克，去照顾拉兹罗。她曾希望再也不要见到里克，可现在再也没有勇气离开他了。
里克明白了一切。这时拉兹罗和同伴——一个侍者——来到了夜总会。拉兹罗说他已经知道他们俩爱的是同一个女人，请里克把通行证给伊尔莎，把伊尔莎送出卡萨布兰卡。里克简直不敢相信这番话。他改变了主意，决心帮助拉兹罗夫妇离开卡萨布兰卡。警察闯进夜总会，以嫌疑犯的罪名逮捕了拉兹罗。
里克骗雷诺特他要带伊尔莎走，鼓动雷诺特先把拉兹罗放了，他则把拉兹罗骗来夜总会取通行证，雷诺特到时赶到夜总会去逮捕拉兹罗——非法拥有德国特别通行证是很好的起诉理由。这样一来，雷诺特就立了大功。雷诺特同意了。
拉兹罗夫妇准时来到夜总会。里克把通行证交给他们，却没有收下lO万法郎。雷诺特得意非凡地冒出来要逮捕拉兹罗。可是他立刻笑不出来了，因为里克手中的枪口对准了他。里克威胁他亲自打电话到机场关照放行拉兹罗夫妇。雷诺特假装照办，其实他拨的号码是斯特拉瑟的。斯特拉瑟觉得情况诡异，立刻驱车前往机场。
飞机将在10分钟内起飞。伊尔莎满怀希望，但不知道里克葫芦里究竟卖什么药。里克威逼雷诺特在通行证上填上拉兹罗和伊尔莎的名字，这样更正式。他们来到了机场。伊尔莎明白了里克不和她走，他要成全拉兹罗和她。伊尔莎极度悲伤而痛哭出来。里克为了不影响拉兹罗对妻子的感情，甚至编造了这个高尚的谎言：伊尔莎过去是爱过他，但现在她早已经不爱他了。只是为了从他那里拿到通行证才假装旧情复燃的样子罢了。伊尔莎是为了拉兹罗才假装的。
伊尔莎深受感动，和拉兹罗上了飞机。飞机慢慢起飞了。斯特拉瑟赶到了机场，明白了一切，他打电话去命令停止起飞。里克用枪指着他，命令他不许打。斯特拉瑟突然拿起一盏灯掷向里克，一声枪响，但没有打中。俩人扭打起来。斯特拉瑟竭尽全力把里克甩开，冲向电话，让接线员接指挥塔。又一声枪响，斯特拉瑟倒在了地上。
雷诺特的部下正好赶到，里克做好了被捕的准备。雷诺特对宪兵说少校被打死了，按照规矩，去四下搜捕嫌疑犯，却没让宪兵逮捕里克。宪兵四散寻找，雷诺特告诉里克他得暂时离开卡萨布兰卡。在布拉柴维尔附近有一支自由法国部队，他可以为里克安排去那里的通行证。里克从雷诺特身上看出了新意，高兴地和他并肩走向远处……