Действие происходит в Англии в 1850 г. Молодой лондонский художник Уолтер Хартрайт по рекомендации своего друга, итальянского профессора Пески, получает место учителя рисования в Лиммеридже в Кумберленде, в имении Фредерика Фэрли, эсквайра. Перед отъездом Уолтер приходит прощаться к матери и сестре, живущим в предместье Лондона. Возвращаясь домой поздним жарким вечером, он неожиданно встречает на пустынной дороге странную женщину, с ног до головы одетую в белое. Они продолжают путь вместе. Упоминание Хартрайта о местах, куда ему предстоит поехать, вызывает у незнакомки неожиданное волнение. Она с любовью говорит о миссис Фэрли, покойной владелице Лиммериджа. Затем с гневом и страхом вспоминает об одном баронете из Хемпшира, не называя, впрочем, его имени. Уолтер помогает незнакомке поймать кеб и почти сразу же после её отъезда видит коляску с двумя седоками, расспрашивающими о «женщине в белом». Они ищут её, чтобы вернуть в сумасшедший дом, откуда она сбежала.
Уолтер Хартрайт приезжает в Лиммеридж и знакомится с его обитателями. Это Мэриан Голкомб, дочь покойной миссис Фэрли от первого брака, некрасивая, но обаятельная и энергичная брюнетка, её сестра по матери Лора Фэрли, нежная и кроткая блондинка, и мистер Фредерик Фэрли, их дядя, холостяк и страшный эгоист, тот самый, кто предложил Уолтеру работу. Уолтер рассказывает Мэриан о своей встрече с женщиной в белом, и та, заинтригованная, находит в письмах своей матери упоминание о девочке Анне Катерик. Миссис Фэрли привязалась к девочке из-за сходства её с Лорой, а маленькая Анна, отвечая своей покровительнице пылкой любовью, поклялась в честь неё ходить всегда только в белом. Тут Уильям понимает то странное чувство, что не раз возникало у него при взгляде на Лору: женщина в белом удивительно напоминала Лору, только похудевшую и побледневшую или пережившую горе. Мэриан и Уолтер хранят своё открытие в тайне. Между тем, как часто случается, учитель и ученица, Уолтер и Лора, полюбили друг друга. Но они не говорят о своей любви. Их разделяет пропасть социального и имущественного неравенства, ведь Лора знатна и богата, она наследница Лиммериджа. А самое главное, Лора помолвлена с человеком, которого выбрал ей отец: баронетом сэром Персивалем Глайдом, владельцем большого поместья в Хемпшире. Об этом Уолтеру сообщает Мэриан, и при словах «баронет» и «Хемпшир» ему вспоминаются бессвязные речи некогда встреченной им женщины в белом. Но вот Хартрайт видит её снова на лиммериджском кладбище — Анна Катерик моет беломраморный памятник на могиле миссис Фэрли. В разговоре с Уолтером (а днём раньше в анонимном письме к Лоре, сильно встревожившем последнюю) Анна предостерегает Лору от брака с сэром Персивалем Глайдом, который представляется ей воплощением зла. К тому же оказывается, что именно он заточил Анну в сумасшедший дом. Простившись с Лорой, удручённый Уолтер возвращается в Лондон, а затем уезжает в долгую, полную опасностей археологическую экспедицию в Центральную Америку.
Мэриан заставляет приехавшего в Лиммеридж жениха Лоры дать объяснения относительно Анны, и тот представляет письмо миссис Катерик, матери Анны, в доказательство того, что действовал с её согласия и на благо её дочери. До последней минуты Мэриан и Лора надеются на то, что свадьбе что-нибудь помешает, но чуда не происходит. Персиваль Глайд и Лора Фэрли венчаются в церкви Лиммериджа и уезжают в свадебное путешествие в Италию. Через полгода они возвращаются в Англию и поселяются в Блекуотер-Парке, имении Глайда, туда же приезжает Мэриан Голкомб. Вместе с четой Глайд из Италии прибывает ещё одна супружеская пара — граф и графиня Фоско. Графиня Фоско — тётка Лоры, некогда вздорная и тщеславная, сейчас душой и телом предана мужу, с которого буквально не сводит глаз, словно загипнотизированная, ловит каждое его слово и беспрерывно скручивает для него маленькие пахитоски (папиросы). Граф Фоско чрезвычайно толст, неизменно вежлив, очень любезен, непрерывно оказывает знаки внимания жене, обожает белых мышек, которых носит с собою в большой клетке. Но в нем чувствуется необыкновенная сила духа («Если бы вместо женщины он женился на тигрице, он укротил бы и тигрицу», — замечает Мэриан).
В окрестностях Блекуотер-Парка Лора встречает Анну Катерик, и та ещё раз предостерегает её, советуя не доверять мужу и опасаться его. А сэр Персиваль, отчаянно нуждаясь в деньгах, хочет заставить Лору подписать какие-то бумаги не читая. Лора отказывается. Муж угрожает ей, но графу Фоско удаётся смягчить ситуацию. Жениховский лоск и обаяние сэра Персиваля давно исчезли, он груб с женой, насмешлив и не раз упрекает её в увлечении учителем-художником (Персиваль догадался о тайне Лоры). Граф и его жена всеми способами препятствуют Мэриан в попытках связаться с поверенным семьи Фэрли. Они неоднократно перехватывают письма (один раз даже опоив каким-то зельем девушку, которая должна была отправить письмо по приезде в Лондон). Мэриан подозревает заговор против Лоры и, чтобы утвердиться в своих предположениях, подслушивает беседу Персиваля Глайда и графа Фоско. Заговор действительно существует, но Мэриан не может противостоять ему: подслушивая ночной разговор, она простужается и серьёзно заболевает. Воспользовавшись болезнью Мэриан, её, в соответствии с планом графа Фоско, переносят в отдалённую часть замка, Лоре же сообщают, что она уехала, и обманом выманивают её якобы в гости к дяде, мистеру Фэрли. Но в Лондоне Лору под именем Анны Катерик помещают в сумасшедший дом, где прежде находилась настоящая Анна. В то же время в лондонском доме своей тётки умирает оказавшаяся там проездом мнимая леди Глайд. Теперь ничто не стоит между Персивалем Глайдом и богатством его жены.
Выздоровев, Мэриан пытается разобраться в происшедшем. Ей удаётся найти и при помощи подкупа освободить Лору — сломленную, оставшуюся без имени и богатства. Из экспедиции возвращается Уолтер. Придя поклониться могиле Лоры, он встречает там Мэриан и изменившуюся, страшно похожую на Анну Катерик Лору. Уолтер снимает квартиру, где они поселяются втроём, и общими усилиями он и Мэриан помогают Лоре понемногу прийти в себя. Уолтер решает вернуть Лоре её имя. Поняв, что сэр Персиваль Глайд прятал Анну Катерик в сумасшедшем доме, потому что боялся разоблачений, Уолтер начинает выяснять, каких именно. Он посещает мать Анны, миссис Катерик. Она вполне определённо отказывается помочь Хартрайту вывести Персиваля Глайда на чистую воду, при этом несомненно, что она ненавидит Глайда и будет рада, если Уолтер сумеет посчитаться с ним. Из разговоров с миссис Катерик, матерью Анны, с причетником церкви Старого Уэлмингама, мистером Уансборо, у которого оказалась скопированной книга церковных метрических записей, Уолтер понимает, что брак родителей Глайда не был зарегистрирован, следовательно, у него нет прав ни на титул, ни на земельные владения. В своё время Глайд получил доступ в ризницу и возможность подделать запись благодаря миссис Катерик, но когда её муж заподозрил любовную связь между ними, Глайд не опроверг этого предположения, боясь выявить истинную причину своих встреч с ней. Впоследствии он неоднократно помогал миссис Катерик деньгами. Ненависть к Анне и страх перед нею были вызваны тем, что девушка осмелилась повторить вслед за матерью, что ей известна тайна Глайда. Этого было достаточно, чтобы бедная девушка очутилась в сумасшедшем доме, а её речи — что бы она ни утверждала — не могли считаться свидетельством. Чувствуя опасность, Персиваль Глайд стремится всеми силами помешать Уолтеру добраться до истины, затем, не подозревая о существовании дубликата, решает сжечь книгу записей, но при пожаре в церкви сгорает сам.
Граф Фоско ускользает от преследования. Случайно в театре Уолтер видит графа и замечает его явный испуг при виде своего приятеля профессора Пески, который не узнает графа (впрочем, тот мог изменить внешность, да и годы сделали своё). Очевидно, понимает Уолтер, граф Фоско был членом того же тайного общества, что и Песка. Страх графа можно объяснить его отступничеством, предательством интересов братства и ожиданием неминуемого возмездия. Уолтер вынужден прибегнуть к помощи Пески. Он оставляет профессору запечатанный конверт с письмом, в котором разоблачает графа и просит покарать его, если Уолтер не вернётся к назначенному часу на следующий день. Приняв эти меры предосторожности, Уолтер Хартрайт приходит к графу Фоско и вынуждает его написать историю совершенного им и Глайдом мошенничества. Граф, с присущим ему самодовольством, вдохновенно пишет, потратив на это занятие почти всю ночь, а графиня готовится к спешному отъезду, время от времени появляясь и демонстрируя Уолтеру свою ненависть к нему.
Основываясь на расхождении в датах: свидетельство о смерти выдано раньше, чем отправлено письмо Фредерика Фэрли, в котором содержится приглашение племянницы в гости, Уолтеру удаётся доказать, что Лора жива, а вместо неё похоронена Анна Катерик. Надпись на памятнике теперь изменена. Анна Катерик, женщина в белом, после смерти обрела то, к чему стремилась: она покоится рядом с миссис Фэрли, которую так любила.
Лора и Уолтер венчаются. Жизнь их понемногу налаживается. Уолтер много работает. Оказавшись спустя некоторое время по делам в Париже, он видит выловленный из Сены труп графа Фоско. На теле нет никаких следов насилия, если не считать двух ножевых порезов на руке, скрывших клеймо — метку тайного общества размером с небольшую монету (такая же метка есть на руке у Пески). Возвратясь в Лондон, Уолтер не застаёт дома ни Лоры с полугодовалым сыном, ни Мэриан. Ему передают записку жены с просьбой немедленно и ни о чем не беспокоясь приехать в Лиммеридж. Там его встречают взволнованные Лора и Мэриан. После смерти дяди фамильное поместье отошло во владение Лоры. И малыш Уолтер, молодой наследник Лиммериджа, которого держит на руках Мэриан, теперь может считаться одним из родовитейших помещиков Англии.
