Le roman est raconté par un narrateur omniscient à la troisième personne, qui pénètre les pensées et les sentiments des personnages tout en maintenant une distance élégante et mesurée, caractéristique du style classique. L'action se déroule à la cour de France sous le règne d'Henri II, entre 1558 et 1559, dans les lieux de pouvoir que sont le Louvre, les Tuileries, Coulommiers et divers hôtels particuliers parisiens. Le ton est celui d'une chronique morale où la narration, volontairement retenue, laisse percevoir sous la surface des bienséances l'intensité des passions qui dévorent les personnages.
Le roman s'ouvre sur un tableau de la cour d'Henri II, présentée comme un lieu de magnificence où les intrigues galantes se mêlent aux jeux politiques. Madame de Chartres, femme de grande vertu, a élevé sa fille unique loin de la cour en lui inculquant des principes moraux rigoureux et en lui montrant les dangers de l'amour. Mademoiselle de Chartres, d'une beauté exceptionnelle, paraît pour la première fois à la cour et y fait une impression considérable. Le prince de Clèves la remarque chez un joaillier et en tombe immédiatement amoureux. Malgré plusieurs prétendants — dont le chevalier de Guise — c'est le prince de Clèves qui obtient sa main grâce à l'appui de sa famille et à la stratégie de Madame de Chartres. La jeune femme épouse le prince sans éprouver pour lui de véritable passion, seulement de l'estime et de la reconnaissance. Monsieur de Clèves en souffre déjà : il voudrait être aimé d'amour et perçoit la différence entre l'affection respectueuse de sa femme et la passion qu'il souhaiterait inspirer.
Peu après le mariage, le duc de Nemours, réputé le plus séduisant gentilhomme de la cour, rencontre la princesse de Clèves lors d'un bal donné au Louvre. Leur première rencontre est marquée par une reconnaissance mutuelle immédiate : ils dansent ensemble sans avoir été présentés, et toute la cour remarque l'éclat de ce couple. La princesse commence à ressentir un trouble qu'elle ne s'explique pas. Madame de Chartres, qui observe sa fille avec vigilance, perçoit le danger et l'avertit : elle lui rappelle ses devoirs d'épouse et la met en garde contre l'inclination naissante. Nemours, de son côté, abandonne tout projet de mariage avec la reine Élisabeth d'Angleterre, signe que sa passion pour la princesse absorbe désormais toute son existence. La princesse, éduquée dans la méfiance envers les passions, reconnaît en elle-même les symptômes de l'amour et s'en effraie.
Madame de Chartres tombe malade et, sentant sa fin approcher, adresse à sa fille un ultime discours où elle l'exhorte à fuir le péril en s'éloignant de la cour et à préserver sa vertu. Cette mort prive la princesse de son seul guide moral et la laisse face à elle-même, vulnérable. La princesse plonge dans une affliction profonde et se retire quelque temps de la vie mondaine. Cependant, l'image de Nemours ne la quitte pas. À son retour à la cour, elle adopte une stratégie d'évitement : elle fuit les situations où elle pourrait se retrouver seule avec le duc, elle détourne les yeux, elle se dérobe. Nemours, passionnément épris, interprète ces fuites comme autant de signes d'un amour partagé mais combattu. Le récit intercalé de l'histoire de Madame de Tournon — une femme qui trompait simultanément deux amants — vient illustrer les dangers de la duplicité amoureuse et renforcer chez la princesse la conviction que la passion mène au malheur.
Plusieurs scènes marquent l'intensification de la passion mutuelle. Lors d'un tournoi organisé pour les fiançailles de la fille du roi, Nemours et la princesse échangent des regards qui trahissent leurs sentiments. L'épisode de la lettre égarée constitue un tournant important : une lettre d'amour, attribuée d'abord à Nemours, provoque chez la princesse une violente jalousie qui lui révèle à elle-même toute l'étendue de sa passion. Lorsqu'elle apprend que la lettre n'était pas destinée à Nemours mais au vidame de Chartres — ami intime du duc et oncle de la princesse —, son soulagement est si vif qu'elle ne peut plus se dissimuler la vérité. La princesse et Nemours se retrouvent ensemble pour réécrire cette lettre de mémoire, dans un moment de complicité qui rapproche dangereusement leurs cœurs. La princesse prend alors pleinement conscience qu'elle est en train de trahir intérieurement son mari.
Dans leur maison de campagne à Coulommiers, la princesse prend une décision sans précédent dans la littérature romanesque de son temps : elle avoue à son mari qu'elle éprouve une passion pour un autre homme, sans nommer celui-ci. Elle lui demande la permission de se retirer de la cour pour éviter de succomber. Cet aveu extraordinaire — motivé par le désir de transparence et par la confiance qu'elle porte à son époux — plonge le prince de Clèves dans un mélange d'admiration et de souffrance atroce. Il la presse de lui révéler le nom de son rival, ce qu'elle refuse obstinément. Le prince lui accorde son estime tout en étant rongé par la jalousie. Or, cette scène a un témoin caché : Nemours, qui s'est glissé dans le jardin de Coulommiers, entend l'aveu derrière une palissade. Il en éprouve un mélange d'exaltation — puisqu'il comprend qu'il est aimé — et de douleur devant la résolution vertueuse de la princesse.
L'aveu, au lieu d'apaiser les tensions, les exacerbe. Le prince de Clèves, dévoré par le besoin de connaître son rival, fait surveiller sa femme. Le récit de l'aveu, rapporté par Nemours au vidame de Chartres sous le sceau du secret, se répand à la cour, ce qui humilie les époux et accroît leur tourment. La princesse soupçonne Nemours d'avoir trahi leur secret et lui en veut, tout en continuant à l'aimer. À Coulommiers, une scène célèbre montre la princesse seule dans un pavillon, contemplant un tableau représentant le siège de Metz où figure Nemours, et nouant des rubans aux couleurs du duc autour d'une canne des Indes qui lui avait appartenu. Nemours, qui l'observe depuis le jardin dans la nuit, est bouleversé par cette preuve silencieuse d'amour. Cette scène de voyeurisme redouble la tension : la passion existe intensément mais ne se déclare jamais directement entre les deux protagonistes.
Le prince de Clèves envoie un espion surveiller les allées et venues de Nemours à Coulommiers. Le rapport qui lui est fait — Nemours entrant de nuit dans le jardin — le convainc que sa femme lui est infidèle. Accablé par ce qu'il croit être une trahison, il tombe malade d'un mal qui mêle fièvre et désespoir. La princesse, alarmée, accourt auprès de lui et proteste de son innocence. Le prince de Clèves, dans un discours déchirant, lui exprime toute l'étendue de sa souffrance : il meurt de l'amour qu'il avait pour elle et de la passion qu'elle a pour un autre. Il expire en lui adressant des paroles où se mêlent tendresse et reproche. La princesse est anéantie par le deuil et par la culpabilité, car elle se considère comme responsable de la mort de son mari, même si elle n'a jamais commis l'adultère.
Après un long deuil, la princesse accepte finalement une entrevue avec Nemours. Cette conversation constitue le dénouement moral du roman. Nemours plaide sa cause avec toute l'éloquence de la passion. La princesse lui avoue ouvertement qu'elle l'aime — première et unique déclaration directe entre eux — mais lui annonce qu'elle ne l'épousera pas. Elle invoque plusieurs raisons : son devoir envers la mémoire de son mari, dont elle se sent coupable de la mort ; la certitude que la passion de Nemours s'éteindrait avec le temps, car rien ne la nourrirait plus une fois satisfaite ; et enfin le souci de son propre repos, la tranquillité de l'âme étant incompatible avec les tourments de la passion. Nemours, désespéré, tente à plusieurs reprises de la revoir, mais la princesse s'y refuse. Elle quitte Paris, partage son temps entre une maison religieuse et sa propriété, et consacre le reste de sa vie à des occupations pieuses et solitaires. Nemours, malgré la douleur, finit par voir sa passion s'affaiblir avec le temps et la distance. La princesse meurt après quelques années, laissant derrière elle l'exemple d'une vertu singulière — celle d'une femme qui a préféré le renoncement à la possession, et la paix de l'âme aux promesses incertaines du bonheur.