В дождливый ноябрьский вечер 186* года в Петербурге двадцатитрёхлетняя богатая вдова гвардейского адъютанта Марья Михайловна начинает вести личный дневник с целью разобраться в причинах своего постоянного уныния. В процессе она осознаёт, что никогда не испытывала любви к мужу, что ей скучно с трёхлетним сыном Володькой, и что светская жизнь столицы не предлагает ей настоящих развлечений, кроме посещений Михайловского театра. Её хандру не облегчает ни письмо из Парижа от двоюродного брата Степы Лабазина, ставшего философом и учёным, ни визит к замужней подруге Софи. Увидев Софи с любовником, Марья Михайловна делает ей строгий упрёк, хотя сама понимает, что скорее завидует чужому, пусть и прошлому, счастью. Некоторое оживление в её жизнь вносит знакомство с интеллектуальницей Плавиковой, в салоне которой по четвергам собираются разные писатели, в том числе сорокалетний романист Домбрович. Поддавшись любопытству, Марья Михайловна начинает читать европейские журналы, пытается поддерживать беседы о философии Спинозы и других умных темах, но по-настоящему её привлекает образ жизни французских куртизанок, к которым тянутся мужчины. Стремясь познакомиться с самой блистательной из них, Клеманс, она посещает рождественские маскарады, где часто встречает Домбровича. Даже Клеманс, встретившись с Марьей Михайловной, говорит преимущественно о Домбровиче, подчёркивая его превосходство над светскими франтами. Домбрович оказывается обаятельным, тактичным и остроумным собеседником, способным увлекательно рассуждать о писателях, светской жизни и о себе самом. После общения с ним рассказчица ощущает успокоение и начинает разделять его взгляды. В дневнике появляются размышления о женщинах, спиритические сеансы, светские сплетни, однако постепенно центральной фигурой становится Домбрович, который делится воспоминаниями о встречах с Лермонтовым, критически оценивает Тургенева и других писателей, доказывает вред брака для умных женщин и учит Марью Михайловну искусству получать наслаждения, не причиняя вреда окружающим.
Через два месяца после знакомства происходит неизбежное: впервые побывав в квартире Домбровича и позволив себе шампанского за завтраком, Марья Михайловна поддаётся соблазну. Первоначально она чувствует себя оскорблённой и почти изнасилованной, но быстро успокаивается, признавая неизбежность случившегося и вскоре записывает в дневник, что не может без него. Не раскрывая своей тайны, она и Домбрович продолжают почти ежедневно встречаться в обществе, при этом, следуя его советам, Марья Михайловна пользуется значительно большим успехом у молодых и высокопоставленных мужчин. В её жизни появляется смысл, и дни проходят насыщенно — подготовка нарядов, визиты, патронирование приюта, театр. Главное же — регулярные встречи с любовником: два раза в неделю у себя дома, остальные дни — в арендованной им комнате в Толмазовом переулке. Обучение искусству соблазнения идёт полным ходом: Домбрович знакомит её с романами Лакло, Руссо и другими скандальными произведениями, а затем убеждает принять участие в тайных вечеринках, где распущенные аристократки встречаются с любовниками. Эти собрания сопровождаются шампанским, канканом, сочинением акростихов и откровенными рассказами о первой любви. Марья Михайловна погружается в этот мир порока, но однажды, в разгар оргии, появляется Степа Лабазин, который, узнав от горничной о её положении, спешит её спасти. Пробуждается стыд и раскаяние, и в присутствии Степы она разрывает отношения с Домбровичем — человеком ярким и талантливым, но лживым и эгоистичным. После нескольких дней бесед с Лабазиным она стремится обрести цельное мировоззрение, отказаться от мужчин и посвятить себя подвижничеству и заботе о ближних. По совету Степы Марья Михайловна знакомится с Лизаветой Петровной, которая отдала своё состояние бедным и занимается перевоспитанием падших девушек. Вместе с ней она посещает больницы, ночлежки, увеселительные дома, борясь с содержательницами и пытаясь вдохнуть надежду в судьбы проституток. Она видит, что многие русские девушки оказались на этом пути из-за нищеты, а иностранки приехали в Петербург, чтобы заработать приданое или обеспечить старость. Воодушевлённая патриотическим желанием спасать именно русских, Марья Михайловна создаёт подобие исправительного дома, обучает девушек грамоте и добродетели, но вскоре убеждается, что подопечные либо вновь стремятся к разгулу, либо вымогают у неё деньги. Разочарованная в своём подвижничестве и после очередного разговора со Степой, она приходит к выводу, что многие женщины занимаются этим образом жизни не из нужды, а ради удовольствия, и решает направить любовь на собственного сына.
Планы покинуть Петербург и уехать за границу нарушает неожиданная болезнь ребёнка. Марья Михайловна, неожиданно для себя сильно привязавшаяся к «кислому» Володьке, решает провести лето на даче под Ораниенбаумом, вдали от светской суеты. Степа поселяется с ними, продолжая просвещать сестру в духе позитивизма шестидесятых годов. Под его влиянием она начинает развиваться и эмоционально, и интеллектуально, читая теперь не французские романы, а произведения Тургенева, Лафонтена, Шекспира и другие серьёзные книги. Однако ей не хватает общения с теми, кто мог бы оценить её как женщину. Перемену в размеренную жизнь вносит знакомство с Александром Петровичем Кротковым, двадцатишестилетним учёным и знакомым Степы, который также проводит лето у своей кузины под Ораниенбаумом. Его презрение к женщинам сначала ранит, но затем пробуждает в Марье Михайловне азарт. В дневнике появляются пересказы его рассуждений о науке, космополитизме, женской эмансипации и других важнейших вопросах. Она вновь влюбляется и мучается от противоречивых чувств, испытывая страсть и одновременно разочарование. Александр Петрович, по-видимому, готов к браку, но скорее как к союзу по расчёту или сердечной склонности, что не устраивает Марью Михайловну. Она мечтает о равенстве и страсти, а дневник становится чередой горячечных признаний, обвинений и самообвинений, размышлений о тщетности жизни и доминировании инстинктов. Решив покончить с собой, она совершает прощальные визиты, прощается с Лизаветой Петровной, объезжает петербургские театры, включая Александринский театр, где идёт «Гроза» Островского. В последний момент, отвергнув признания Кроткова и советы Степы, она целует спящего сына и перечитывает завещание, составленное под диктовку Лабазина, в котором судьба Володьки поручена Кроткову. Дневник предназначен для сына, когда он будет способен его понять, чтобы он мог извлечь из него житейский урок. После этого Марья Михайловна принимает яд и уходит из жизни с улыбкой и цитатой из «Гамлета»: «Как такой развязки не жаждать? Умереть, уснуть».
