Часть первая
Главный герой Гумберт Гумберт с детства без ума от девочек в возрасте 9—14 лет, причём не всех, а только имеющих вполне определённую внешность. Таких девочек он называет нимфетками, и единственная радость в его жизни — наблюдать издалека за ними. Он боится нарушить законы и совратить малолетних.
Пытаясь хоть немного воплотить свои фантазии в реальность, он посещает проституток, а позже женится на женщине, похожей на ребёнка. После развода с ней главный герой переезжает в Америку и случайно останавливается в доме Гейзов — вдовы Шарлотты Гейз и её 12-летней дочери Долорес (уменьш.: Лолита). Увидев Лолиту, Гумберт решил остаться в доме любой ценой.
Чтобы иметь возможность быть рядом с Лолитой, Гумберт снимает комнату в доме Шарлотты. Случается так, что Шарлотта влюбляется в него и требует либо жениться на ней, либо навсегда покинуть их дом. Гумберт решает взять Шарлотту в жёны, хотя она его совершенно не привлекает (в своих дневниках он называет её «Гейзихой»). Он находится во власти влечения к Лолите и страха перед возможными последствиями.
Через какое-то время Шарлотта находит дневник Гумберта, из которого становятся ясными его побуждения. Это её шокирует. Гумберт безуспешно пытается выдать дневник за черновики художественного произведения. Шарлотта пишет письма Лолите и нескольким знакомым, однако отправить их не успевает, так как при выходе из дома её насмерть сбивает автомобиль.
Гумберт втайне радуется смерти Шарлотты, поскольку это устраняет помеху его планам в отношении Лолиты. Гумберт забирает Лолиту из лагеря.
Часть вторая
Чтобы не афишировать свою незаконную связь с Лолитой, Гумберт принимает решение отправиться с ней в путешествие по Соединённым Штатам на автомобиле. На ночь они останавливаются в мотелях. После сексуальной близости с Лолитой Гумберт обнаруживает, что не был её первым мужчиной: Лолиту лишил девственности сын руководительницы лагеря.
Исколесив всю Америку, они обосновываются в Бердслее, где Гумберт устраивает Лолиту в женскую гимназию. Здесь она увлекается актёрским искусством и принимает участие в спектакле «Зачарованные охотники», поставленном Клэром Куильти и Вивиан Дамор-Блок (анаграмма: Владимир Набоков). Тем не менее, через некоторое время она просит Гумберта забрать её и отправиться в новое путешествие.
Гумберт и Лолита снова разъезжают по Америке (но теперь по маршрутам, которые указывала Лолита). Однако вскоре Гумберт начал замечать, что их всюду преследует некий человек. Он подозревает, что этот человек в сговоре с Лолитой, но ничего предпринять не может. Его подозрения оправдываются: однажды, воспользовавшись обстоятельствами, преследователь похищает у него Лолиту.
Потратив много времени на расследование, Гумберту не удается найти следов похитителя. В конце концов, через несколько лет, он получает письмо от Лолиты, в котором она сообщает, что вышла замуж, и просит Гумберта поддержать её материально. Гумберт немедленно направляется к ней.
Из разговора с Лолитой он узнает, что её «похитителем» был драматург Клэр Куильти — автор спектакля, в котором играла Лолита. Оказывается, Лолита была влюблена в Куильти и сбежала с ним, однако он предложил ей участвовать в оргиях, записываемых на кинопленку, и Лолите пришлось уйти. Лолита на последних месяцах беременности, её муж не знает о её прошлом. Гумберт в отчаянии предлагает Лолите вернуться к нему, но та отказывается.
Теперь единственное, что остаётся Гумберту — отомстить Клэру Куильти. Он находит и убивает его. Гумберта арестовывают. Свою историю он пишет в тюрьме. Из «предисловия редактора» в начале романа мы узнаем, что Гумберт умирает от сердечного приступа, не дождавшись суда.
