Humbert Humbert è un professore di letteratura francese di mezza età che, reduce da un divorzio e da un esaurimento nervoso, decide di trasferirsi in una piccola cittadina del New England, Ramsdale, dove dedicarsi alla scrittura.
Affitta una stanza nella casa della vedova Charlotte Haze che vive sola con la figlia dodicenne Dolores.

Dolores, chiamata anche Lo, è una ragazzina maliziosa e ribelle che ricorda a Humbert il suo primo amore Annabelle.Humbert inizialmente lotta per trattenere i propri sentimenti, ma finisce per perdere la testa per la ragazzina. Lo cerca maliziosamente di attrarre sempredi più il professore a sé, e prima di partire per il campo estivo gli regala un casto bacio.
Humbert decide di sposare Charlotte per poter stare vicino alla sua Lolita ma dopo poco tempo la donna scopre il diario del professore dove descrivere ampiamente i sentimenti per la ragazzina. Dopo un furioso litigio, Charlotte esce di casa in preda allo shock e viene investita da un’automobile e muore. Humbert va a riprende Lo al campo estivo e i due iniziano a vagabondare per alberghi dove ogni notte il professor riceve i favori sessuali della ragazzina pagandola e concedendole tutto ciò che vuole.

La strana coppia decide di trasferirsi in un piccolo paesino per permettere a Lo di frequentare una scuola femminile; la ragazza vive segregata in casa, non è libera di vivere normalmente perché Humbert ne è ossessionato.
Con la scusa di una recita scolastica Lo conosce Quilty, un commediografo amico della madre.

Lo e Humbert si rimettono in viaggio perché iniziano a girare voci sul loro strano rapporto ma Quilty, in accordo con Lo, li segue e approfittando di un ricovero in ospedale della ragazza, riesce a farla scappare.
Humbert è in preda alla pazzia, rimasto solo per la prima volta dopo tanto tempo, cerca ovunque la ragazza, ed infine si rassegna e stringe una specie di relazione con Rita.
Lo intanto si è allontanata da Quilty che ha cercato di farla lavorare come attrice pornografica, si è sposata con un bravo ragazzo, Dick, ed è incinta.
Avviene un ultimo incontro tra Lo e Humbert, quando l’uomo riceve una sua richiesta di soldi, e consegnandoglieli la implora di ritornare con lui, ma la risposta della ragazza è negativa.
Humbert, disperato uccide Quilty a casa sua e scrive in carcere il suo libro di memorie.

“Lolita, light of my life, fire of my loins. My sin, my soul.”