L'action se déroule à la cour brillante et codifiée du roi Henri II. Mademoiselle de Chartres, jeune fille d'une beauté exceptionnelle, y fait son entrée sous la conduite de sa mère, Madame de Chartres, qui l'a élevée selon des principes rigoureux de vertu et de méfiance envers les passions amoureuses. Elle épouse le prince de Clèves, un homme sincèrement épris d'elle, mais pour lequel elle n'éprouve qu'estime et respect sans véritable amour.
Peu après son mariage, la princesse rencontre le duc de Nemours lors d'un bal à la cour. Une passion réciproque et immédiate naît entre eux. Nemours, réputé le plus séduisant gentilhomme du royaume, abandonne toutes ses autres galanteries pour se consacrer à cette inclination. La princesse, consciente de ce qu'elle éprouve, lutte contre ce sentiment avec une constance remarquable : elle évite la présence de Nemours, se retire de la cour autant que possible et s'impose une discipline morale héritée de l'éducation maternelle. Sa mère, avant de mourir de maladie, la met en garde une dernière fois contre les dangers de la passion.
Le roman atteint un sommet dramatique lorsque la princesse de Clèves, dans un geste inédit, avoue à son mari qu'elle éprouve une inclination pour un autre homme, sans nommer Nemours. Cet aveu extraordinaire — qui fit scandale à la publication du roman — témoigne à la fois de sa vertu et de son désespoir. Le prince de Clèves, rongé par la jalousie et le doute malgré l'honnêteté de sa femme, tombe malade et meurt, persuadé à tort d'avoir été trahi.
Désormais libre, la princesse pourrait épouser Nemours. Celui-ci la presse de ses sentiments. Pourtant, elle refuse. Lors d'une ultime entrevue, elle lui avoue son amour mais explique son renoncement : le souvenir de son devoir envers son époux défunt, la conviction que la passion de Nemours ne durerait pas une fois satisfaite, et le souci de son propre repos intérieur la conduisent à choisir la retraite. Elle se retire définitivement du monde, partageant sa vie entre une maison religieuse et sa demeure, et meurt quelques années plus tard.
Le roman tisse autour de cette intrigue principale plusieurs histoires secondaires — les amours de la dauphine Marie Stuart, l'épisode de la lettre égarée, l'histoire de Madame de Tournon — qui fonctionnent comme des miroirs du récit central et illustrent les ravages de la passion et de la dissimulation dans l'univers de la cour. La grandeur du roman réside dans l'analyse minutieuse des mouvements du cœur et dans le choix final de l'héroïne, qui préfère la paix de l'âme à l'assouvissement du désir.