Поэма представляет собой продолжение чужого сюжета, начатого Маттео Боярдо, который создал шестьдесят девять песен под названием «Влюблённый Роланд». Ариосто дописал к ним сорок семь песен и планировал дальнейшее продолжение. В произведении множество персонажей, каждый из которых переживает собственные приключения, сюжетные линии переплетаются, а повествование часто прерывается в наиболее напряжённые моменты, переходя к другим героям.
Главный персонаж Роланд известен европейским читателям уже несколько столетий, однако образ его и фон рассказа значительно изменились. В первоначальной «Песне о Роланде» действие разворачивается во время небольшой войны между Карлом Великим и испанским соседом в Пиренеях. У Боярдо и Ариосто конфликт приобретает масштаб вселенской битвы между христианским и мусульманским мирами, где против Карла Великого выступает африканский император Аграмант с многочисленными союзниками, включая королей Испании, татар и черкесов, а также двух необычных героев: мощного и свирепого Родомонта и благородного рыцаря Руджьера. На момент начала повествования сарацины близки к победе и осаждают Париж.
Образ Роланда трансформировался от простого рыцаря в исполина необычайной силы и страстного влюблённого, способного терять рассудок из-за любви. Его объектом обожания становится Анджелика, принцесса из Катая, легкомысленная и прекрасная, покорившая многих рыцарей. У Боярдо из-за неё начинается война по всей Азии, у Ариосто же Анджелика только что сбежала из плена Карла Великого, что приводит Роланда в отчаяние: он покидает осаждённый Париж и отправляется на поиски возлюбленной.
Среди спутников Роланда главные — его двоюродные братья Астольф и Ринальд. Астольф — отважный, но легкомысленный авантюрист, Ринальд — воплощение рыцарских добродетелей и верный слуга Карла Великого. Ринальд тоже влюблён в Анджелику, но его любовь несчастлива: оба они пили из волшебных источников любви и безлюбовья в Арденнском лесу, что привело к взаимным преследованиям. Несмотря на страсть, Ринальд остаётся предан королю и отправляется в Англию за помощью.
У Ринальда есть сестра Брадаманта — искусная воительница, чья внешность и поведение не выдают в ней женщину. Её любовь — главная в поэме — направлена на сарацинского рыцаря Руджьера, с которым у неё предначертан союз. Их потомки должны основать знатный род Эсте, покровителей Ариосто. Руджьер и Брадаманта впервые встретились в бою и, убедившись в достоинствах друг друга, влюбились, но на их пути стоят многочисленные препятствия.
Руджьер — сын тайного брака христианина и сарацинской принцессы, воспитан в Африке волшебником Атлантом, который пытается удержать его от принятия христианства. Атлант обитает в замке, полном призраков, где пленников удерживают иллюзиями. Однако Брадаманта обладает волшебным перстнем, который защищает её от чар. Атлант отправляет Руджьера к другой волшебнице Альцине, где тот несколько месяцев живёт в роскоши и наслаждениях, пока вмешательство мудрой феи не возвращает его к добродетели. Вернувшись, Руджьер вновь попадает в ловушку Атланта, и в замке он и Брадаманта томятся в поисках друг друга, оставаясь невидимыми друг для друга.
Тем временем Ринальд плывёт в Англию и обратно, спасая по пути дам Гиневру, Изабеллу и Олимпию, а Роланд, ища Анджелику, освобождает пленённых дам. В это время Аграмант с армией стоит под Парижем, готовясь к штурму, а Карл Великий молится о помощи. Господь приказывает архангелу Михаилу найти силы Безмолвия и Распри, чтобы посеять смуту среди врагов, но те находятся не на поле боя, а среди монахов и разбойников. Битва начинается с яростью: Родомонт врывается в город, нанося разрушения. Тем не менее, Безмолвие приводит Ринальда с подкреплением, и сарацины отбиваются, спасаясь лишь ночью. Распря, пробившись к своим, сообщает Родомонту о предполагаемой измене его возлюбленной Доралисы, что заставляет Родомонта оставить поле боя в поисках обидчика.
В сарацинском стане воин Медор, оставшийся без царя, ранен в бою и почти погибает, если бы не Анджелика, которая, несмотря на свою легкомысленность, спасает его и полюбит. Вместе они живут в уединённой хижине, пока Медор не выздоравливает, после чего продолжают путь в Катай. Их любовь и надписи на деревьях становятся причиной неистовства Роланда.
Роланд, странствуя по Европе, находит надписи Медора и Анджелики и узнаёт о её измене. Он сначала отказывается поверить, затем впадает в отчаяние и приходит в бешенство. В состоянии безумия он разрывает одежду, бросает оружие и в диком порыве разрушает леса, сражается с людьми, зверями и целыми армиями, распространяя страх по Франции, Испании и Африке. Слухи о его судьбе доходят до двора Карла, который, несмотря на внутренние раздоры в стане сарацин, всё ещё сталкивается с угрозой у Парижа, где появились новые грозные воины — Руджьер и Марфиза, гроза Востока, к которой не подходит никто из трёх сильнейших царей мира. Без Роланда христианам не справиться с ними, но как вернуть его к рассудку?
Астольф, авантюрист и обладатель волшебного копья, рога и книги с указаниями по борьбе с чарами, отправляется на поиски Роланда. Он путешествовал по Азии, побеждал чудовищ и освобождал пленников, включая Брадаманту и Руджьера из замка Атланта, убив волшебника и разрушив его чары. Руджьер и Брадаманта наконец встретились, поклялись в верности и разошлись: она — к брату Ринальду, он — служить Аграманту, намереваясь позже принять крещение и жениться. Астольф же взял гиппогрифа — крылатого коня Руджьера — и воспарил над миром.
Для спасения Роланда Астольф должен пройти через ад и рай. В аду он избавляет эфиопского царя от гарпий, а в раю встречается с апостолом Иоанном, который рассказывает ему о судьбах героев и будущих князьях Эсте, а также о поэтах, что прославят их. Ум Роланда, утраченный им в безумии, обнаруживается на Луне, где хранится всё потерянное людьми. Астольф вдыхает ум Роланда и возвращается на землю.
На земле тем временем ситуация меняется: освобождённые Астольфом рыцари присоединяются к Ринальду, который отражает нападение сарацин под Парижем, хотя его душа всё ещё страдает от любви к Анджелике. В Арденнском лесу он сталкивается с чудовищем Ревности, против которого выступает рыцарь Презрение, помогая Ринальду избавиться от страсти и вернуться к бою.
Брадаманта, узнав, что Руджьер сражается рядом с воительницей Марфизой, испытывает ревность и бросается на бой с обеими. Во время схватки звучит голос мёртвого Атланта, который открывает, что Руджьер и Марфиза — брат и сестра, и их отец был христианином. Это проясняет ситуацию, и Марфиза принимает крещение, приглашая к нему Руджьера, который колеблется из-за долга перед Аграмантом. Желая решить войну, Аграмант предлагает поединок с Ринальдом. Поединок прерывается началом общей битвы, в которой аграмантовцы терпят поражение и бежат к Бизерте, не ведая о том, что там их ждёт смертельный враг.
Астольф собирает войско и направляется к Бизерте для удара с тыла, сопровождаемый спасёнными паладинами. Там же оказывается безумный Роланд, которого после долгих усилий удаётся связать и вернуть рассудок с помощью сосуда с его умом. При поддержке Роланда христиане берут Бизерту, Аграмант гибнет в последнем поединке с Роландом и его спутниками, и война заканчивается.
Поэма продолжается описанием судьбы Руджьера, который, приняв крещение, приходит к двору Карла и просит руки Брадаманты. Её отец против, считая Руджьера недостойным знатного брака и предпочитая выдать дочь за греческого принца Леона. Руджьер уезжает, чтобы оспорить соперника, и, сражаясь на стороне булгар, проявляет героизм. Леон спасает его из плена, и между ними возникает дружба. Брадаманта объявляет, что выйдет замуж только за того, кто победит её в бою. Леон, опасаясь проигрыша, просит Руджьера выступить вместо него. В поединке Руджьер отбивает все удары Брадаманты, но не наносит ответных, чтобы не причинить ей вред. Победа присуждается гостю, и Леон благодарит его.
Несмотря на это, Руджьер впадает в отчаяние и уходит умирать в лесу, но добрая фея спасает его. Леон находит Руджьера, и они вместе возвращаются, устраивая свадьбу, торжества и турниры в честь будущих князей Эсте. Однако история ещё не завершена.
В последний день появляется Родомонт, который, нарушив обет безоружия, вызывает Руджьера на поединок, обвиняя его в измене королю и неверности рыцарскому званию. В ожесточённой борьбе Родомонт падает мёртвым от удара Руджьера, и его душа, гордая и надменная, уходит в ад. Таким образом завершается повествование.
