查尔斯·斯密逊是一位考古博物学家，父母去世后，他继承了一笔遗产以及男爵的贵族头衔，他年迈的伯父膝下无嗣，因此他又将成为另一份相当可观的产业的继承人。多年在巴黎求学以及周游欧洲各国的经历使他养成倜傥超俗、孤傲冷漠的气质。1867年，他32岁。也许多年的旅行生涯使他感到厌倦，他开始思考婚娶之事。在一次社交晚会上，他遇到厄里斯蒂娜（蒂娜）。蒂娜年轻美貌，家境富有，从外貌到气质均属典型的维多利亚时代中产阶级的闺秀。这对年轻人一见钟情，两个月后就举行了订婚仪式。蒂娜的父母每年都要他们的独生女离开伦敦，到地处海滨的莱姆镇上特兰特姨妈家闲居一段时日，据说这样有益于她的健康。而这一年，她被遣送得特别早，目的是为婚姻大事而养精蓄锐。于是，查尔斯也来到了这个偏僻的山海小镇，下榻在“白狮”旅馆，一方面陪伴孤寂无聊的蒂娜，另一方面也正好可以到附近的山林中作一些专业考察。一个寒风凛冽的清晨，查尔斯和蒂娜沿海堤散步，偶然发现一个身披黑大氅的女子伫立在海堤的顶端，目不转睛地眺望着迷茫的远方。他们走近时，那女人回眸一瞥，查尔斯看到的是一张悱恻动人的脸，心里不由升起一种无可遏制的好奇心理。查尔斯后来从各种传闻中了解到，这个神秘的女人名叫萨拉·伍德洛夫，是当地普尔特尼太太的生活陪伴，但是人们在背后都叫她“法国中尉的女人”，显然，在众人眼中，萨拉是个名声不好的女人。每逢休息日，或为普尔特尼太太散发宗教传单而得到外出的机会，萨拉总要独自到人迹罕至的山林中散步。一次，查尔斯与萨拉在林中邂逅，之后，两人又一次相遇，查尔斯忍不住上前搭讪，而萨拉的冷漠愈发激起他的好奇。自此以后，他一得空就会身不由己地踏上那条通向山里的荒径。这一天，萨拉突然出现在他面前，主动递上两枚化石，并请求与他约会一次，向他披露她自己的身世。萨拉的主动，反而使查尔斯惊惶不安，经过激烈的思想斗争，他应约与萨拉踱进幽深的山林。按照萨拉自己的说法，她曾经照料并爱上了一个在海难中受伤的法国中尉，她向他奉献了自己的一切，但那个法国人却一去不返，从此音讯杳无。她虽然遭人抛弃，却始终一片痴情，全然不顾世俗的飞短流长，我行我素地把自己封闭在一个幻想世界之中。究竟出于什么动机，查尔斯自己也无法说清，他决定拯救萨拉，建议她离开莱姆镇，到外地去寻求一种新的生活。就在此时，查尔斯得知他的伯父准备再婚，这意味着他将失去对伯父财产的继承权。普尔特尼太太是一个性情乖戾、行为古板的老寡妇，她发现萨拉一再独自外出，决定将她解雇。萨拉只身出走，引起镇上大哗。她临行前差人捎信给查尔斯，希望能最后再见一面。按照查尔斯的朋友葛洛根医生的分析，萨拉这种人很可能患有某种精神疾病。查尔斯彻夜不眠，前思后想，最终还是按捺不住，披衣进山。
黎明时分，他在山里一间草棚中发现了萨拉。如果说，查尔斯起初还曾意识到应该言辞谨慎、应该控制自己的行为，那么，当他面对满脸泪痕、不能自己的活生生的萨拉时，感情的围堤崩塌了，眼前的时刻压倒了整个时代，他把萨拉紧紧地拥抱在怀中。但也就在这一时刻，查尔斯的仆僮来山上幽会情人，无意中撞见了他俩。查尔斯强作镇静，打发了仆僮，匆匆给了萨拉一小袋金币，又对她的未来作了几句嘱咐，两人就此分手。此后，查尔斯与蒂娜之间的关系发生了微妙的变化，他未来的岳父要他改文从商，使他自尊心大受挫伤，他进退两难，与朋友外出酗酒，后又独自踯躅街头，遇一妓女，当他无意中得知妓女的名字也叫萨拉时，他突然感到一阵无法忍受的痉挛……。他折回“白狮”旅馆，回到了厄里斯蒂娜的身边。但是，这只是故事结束的一种可能性。查尔斯很可能收到萨拉从城里捎来的一张字条，上有她暂住客栈的地址。他犹豫再三，终于驱车前往。萨拉因脚踝扭伤独自一人坐在客房里。查尔斯进门以后，两人对视片刻，长期压抑的感情如火山爆发，一切语言都成为多余……。然而查尔斯万万没有想到，萨拉竟是个处女，而她过去告诉他的一切，从法国中尉到此次脚踝扭伤，全是撒谎，她之所以这么做是出于孤独、愤恨、嫉妒。现在，她已一切如愿以偿，于是将查尔斯打发离去。查尔斯在教堂忏悔，回到莱姆镇把事情的经过对蒂娜和盘托出，并要求解除婚约，他接受了法庭对他作出的惩罚性判决，从此不再抛头露面，一心只想重新找到萨拉。在以后的1年零8个月的时间内，他几乎寻遍了欧洲所有的城市，终无所获，于是又到了美国；他觉得许多美国人的脸上都闪现着萨拉的影子，但仍然没有见到真正的萨拉，只好再返伦敦。一天，他的律师告诉他改名后的萨拉的地址，查尔斯登门求见。这里又出现了两种可能，一种是他不仅重新得到了萨拉，而且还意外地见到了他的女儿；另一种可能的结局是，萨拉成为画家丹特·伽布里埃尔·罗塞蒂的秘书兼模特，她拒绝了查尔斯的求爱，因为这些年的经历使她懂得了人生幸福的真谛，她已经习惯、并将永远珍视一个孤寂的世界，永远不需要任何人来分享她的生活。