La tragédie se déroule à Trézène, cité du Péloponnèse, en l'absence prolongée du roi Thésée, parti pour une expédition dont il ne revient pas. L'action se concentre sur une seule journée, conformément à la règle des trois unités classiques. Plusieurs voix se succèdent dans les dialogues et les confidences — Phèdre à sa nourrice Œnone, Hippolyte à son gouverneur Théramène — de sorte que la passion coupable de l'héroïne éponyme se révèle progressivement à travers les aveux, les silences et les malentendus. Le ton est celui de la fatalité tragique : les personnages se savent condamnés par les dieux et par leur propre sang, et chaque parole prononcée précipite un peu plus la catastrophe.
La pièce s'ouvre sur le départ annoncé d'Hippolyte, fils de Thésée et de l'Amazone Antiope. Le jeune prince confie à son gouverneur Théramène qu'il veut quitter Trézène pour partir à la recherche de son père, absent depuis plus de six mois. Théramène le presse de questions et devine qu'une autre raison motive cette fuite : Hippolyte, qui se glorifiait jusqu'alors de son insensibilité aux passions amoureuses, avoue aimer Aricie, jeune princesse athénienne que Thésée retient captive à Trézène parce qu'elle est la dernière descendante des Pallantides, famille rivale du trône d'Athènes. Cet amour est doublement interdit : Thésée a formellement défendu à Aricie de se marier, et Hippolyte sait que son père désapprouverait cette union.
Parallèlement, Phèdre apparaît pour la première fois dans un état d'épuisement physique et moral. Sa nourrice et confidente Œnone la supplie de révéler la cause du mal qui la consume depuis des jours. Après une longue résistance, Phèdre finit par avouer sa passion pour Hippolyte. Elle raconte comment, dès sa première rencontre avec le jeune homme, elle a été saisie par un amour irrépressible qu'elle attribue à la malédiction de Vénus pesant sur sa lignée — sa mère Pasiphaé fut frappée d'une passion monstrueuse pour un taureau. Phèdre a tout tenté pour étouffer ce sentiment : éloigner Hippolyte, se montrer cruelle envers lui, fuir sa présence. Rien n'y a fait. Elle considère son aveu comme un prélude à la mort qu'elle appelle de ses vœux. C'est alors qu'un coup de théâtre survient : Panope, femme de la suite de Phèdre, annonce que Thésée serait mort. Cette nouvelle bouleverse toutes les données politiques et sentimentales. Œnone pousse sa maîtresse à vivre, arguant qu'avec la disparition de Thésée, l'amour de Phèdre pour Hippolyte n'est plus un crime.
La mort supposée de Thésée ouvre une crise de succession. Hippolyte, Phèdre et Aricie peuvent tous trois prétendre au pouvoir — Hippolyte comme fils du roi, Phèdre au nom de son propre fils encore enfant, Aricie comme dernière héritière du sang royal d'Athènes. Hippolyte se rend auprès d'Aricie et, tout en lui annonçant qu'il entend lui restituer ses droits, lui déclare maladroitement son amour. Aricie, surprise et touchée, ne cache pas que cet aveu la trouble.
Phèdre, encouragée par Œnone, sollicite un entretien avec Hippolyte sous prétexte de lui parler de l'avenir de son fils. La scène de l'aveu constitue le sommet dramatique de cet acte. Phèdre commence par évoquer Thésée, glisse insensiblement vers le portrait d'Hippolyte qu'elle substitue à celui de son père, puis laisse éclater sa passion avec une violence qui la submerge elle-même. Elle évoque le labyrinthe de Crète et imagine Hippolyte à la place de Thésée guidé par le fil d'Ariane. Hippolyte, saisi d'horreur, recule. Phèdre, dans un geste désespéré, saisit l'épée du prince et la retourne contre elle, suppliant qu'on la tue. Œnone intervient et entraîne sa maîtresse. Hippolyte reste pétrifié par ce qu'il vient d'entendre ; il décide de taire cet épisode scandaleux.
Phèdre oscille entre honte et espoir. Œnone, dévouée jusqu'à l'aveuglement, tente de la consoler en lui suggérant qu'Hippolyte n'a peut-être pas rejeté définitivement ses avances. Phèdre, un instant, se laisse aller à rêver d'un Hippolyte conquis. Elle charge Œnone d'aller plaider sa cause auprès du jeune prince et de lui offrir le pouvoir en échange de son amour.
Mais un second coup de théâtre survient : Thésée est vivant. Il arrive à Trézène. Son retour plonge Phèdre dans l'épouvante. L'aveu qu'elle a fait à Hippolyte, anodin dans l'hypothèse de la mort de Thésée, devient un crime abominable maintenant que son époux est de retour. Phèdre maudit Œnone qui l'a poussée à parler. Devant Thésée, elle se montre troublée, prononce des paroles ambiguës sur le déshonneur qui la souille, et s'enfuit. Thésée, intrigué et blessé par cet accueil glacial, se tourne vers Hippolyte, qui se montre lui aussi fuyant et demande à quitter Trézène. Thésée pressent un mystère qu'il ne parvient pas encore à percer.
Œnone, pour sauver sa maîtresse de la colère de Thésée, prend l'initiative d'une calomnie monstrueuse : elle accuse Hippolyte d'avoir tenté de séduire Phèdre par la force. Comme preuve, elle invoque l'épée du prince, que Phèdre a conservée depuis la scène de l'aveu. Thésée, déjà troublé par le comportement étrange de son fils, entre dans une fureur terrible. Il invoque contre Hippolyte la malédiction de Neptune, son père divin, qui lui a jadis promis d'exaucer un vœu. Il souhaite la mort de son propre fils.
Hippolyte, convoqué par son père, se défend avec une dignité douloureuse. Il ne peut révéler la vérité sans déshonorer Phèdre — la pudeur et le respect filial l'en empêchent. Il se contente de faire valoir son innocence et, pour prouver qu'il n'est pas l'homme lubrique que l'on décrit, confesse son amour pour Aricie. Thésée ne le croit pas et voit dans cette révélation un stratagème pour détourner les soupçons. Il bannit Hippolyte de Trézène.
Phèdre, apprenant la malédiction lancée par Thésée, est saisie de remords. Elle se rend auprès de son époux dans l'intention d'innocenter Hippolyte. Mais Thésée, au détour de la conversation, mentionne l'amour d'Hippolyte pour Aricie. Phèdre découvre alors que le jeune homme qu'elle aime en aime une autre. La jalousie balaie ses scrupules. Elle renonce à défendre Hippolyte et s'abandonne à la souffrance. Dans un monologue d'une intensité brûlante, elle mesure l'horreur de sa situation : elle est à la fois coupable d'un amour incestueux, responsable de la perte d'un innocent, et torturée par la jalousie. Elle repousse violemment Œnone, qu'elle accuse de l'avoir entraînée dans le crime par ses conseils funestes.
Hippolyte se prépare à fuir Trézène avec Aricie. Il lui propose de l'épouser et de la mettre à l'abri loin de la colère de Thésée. Aricie accepte. Mais avant de partir, la jeune femme tente une ultime démarche auprès de Thésée : sans accuser directement Phèdre, elle insinue que le roi a été trompé et que la vérité est tout autre que ce qu'on lui a dit. Ses paroles à demi voilées éveillent le doute chez Thésée, qui commence à vaciller dans sa certitude. Il décide de réinterroger Œnone.
Il est trop tard. Œnone, chassée et maudite par Phèdre, s'est jetée dans la mer. Cette mort suspecte renforce les doutes de Thésée. Alors qu'il s'apprête à rappeler Hippolyte, le récit funeste de Théramène vient anéantir tout espoir. Théramène raconte la mort d'Hippolyte dans un long récit : le jeune prince, longeant le rivage en char, a vu surgir des flots un monstre marin envoyé par Neptune. Ses chevaux, épouvantés, se sont emballés. Hippolyte, empêtré dans les rênes, a été traîné sur les rochers et mis en pièces. Aricie, témoin de la scène, s'est évanouie. Théramène a recueilli le dernier souffle d'Hippolyte, qui lui a confié un message pour Aricie et demandé que son père connaisse la vérité.
Phèdre paraît alors devant Thésée. Elle a pris du poison. Dans ses derniers instants, elle rétablit la vérité : Hippolyte était innocent, c'est elle qui brûlait pour lui d'un amour criminel, et c'est Œnone qui a forgé l'accusation mensongère. Elle meurt sous les yeux de Thésée, qui reste accablé par la douleur et le remords. Le roi adopte Aricie comme sa fille et ordonne que des honneurs funèbres soient rendus à Hippolyte, dans une tentative dérisoire de réparer un crime irréparable.