Елизавета Андреевна Протасова решается расстаться с мужем, Федором Васильевичем, образ жизни которого становится для нее невыносим: Федя Протасов пьет, проматывает свое и женино состояние. Мать Лизы одобряет её решение, сестра Саша — категорически против расставания с таким удивительным, хотя и со слабостями, человеком, как Федя. Мать полагает, что, получив развод, Лиза соединит свою судьбу с другом детства Виктором Михайловичем Карениным. Лиза предпринимает последнюю попытку вернуть мужа и для этого посылает к нему Каренина Тот находит Протасова у цыган, в обществе нескольких офицеров. Слушая любимые свои песни «Канавела», «Час роковой», «Не вечерняя», Федя замечает: «И зачем может человек доходить до этого восторга, а нельзя продолжать его?» Он отвергает просьбу жены вернуться в семью.
Все говорит за то, что Лиза Протасова должна соединить свою судьбу с Виктором Карениным: тот любит её с детства, она в глубине души отвечает ему взаимностью; Виктор любит и её маленького сына Мишечку. Мать Виктора, Анна Дмитриевна, тоже была бы рада видеть Лизу женою своего сына, если бы не связанные с этим тяжелые обстоятельства.
В Федю влюбляется цыганка Маша, пение которой он так любит. Это вызывает возмущение её родителей, которые считают, что барин погубил их дочь. Маша тоже пытается убедить Федю пожалеть жену и вернуться домой. Тот отвергает и эту просьбу — уверенный, что живет теперь в согласии с совестью. Уйдя из семьи, в одиночестве, Протасов начинает писать. Он читает Маше начало своей прозы: «Поздней осенью мы сговорились с товарищем съехаться у Мурыги-ной площадки. Площадка эта был крепкий остров с сильными выводками. Был темный, теплый, тихий день. Туман…»
Виктор Каренин через князя Абрезкова пытается узнать о дальнейших намерениях Протасова. Тот подтверждает, что готов на развод, но не способен на связанную с этим ложь. Федя пытается объяснить Абрезкову, отчего не может вести добропорядочную жизнь: «А что я ни делаю, я всегда чувствую, что не то, что надо, и мне стыдно. А уж быть предводителем, сидеть в банке — так стыдно, так стыдно… И, только когда выпьешь, перестанет быть стыдно». Он обещает через две недели устранить препятствия к браку Лизы и Каренина, которого считает порядочным и скучным человеком.
Чтобы освободить жену, Федя пытается застрелиться, даже пишет прощальное письмо, но не находит в себе сил для этого поступка. Цыганка Маша предлагает ему инсценировать самоубийство, оставив на берегу реки одежду и письмо. Федя соглашается.
Лиза и Каренин ожидают известий от Протасова: тот должен подписать прошение о разводе. Лиза говорит Виктору о своей любви без раскаяния и без возврата, о том, что из её сердца исчезло все, кроме любви к нему. Вместо подписанного прошения секретарь Каренина, Вознесенский, приносит письмо от Протасова. Тот пишет, что чувствует себя посторонним, мешающим счастью Лизы и Виктора, но не может лгать, давать взятки в консистории, чтобы получить развод, и поэтому хочет физически уничтожиться, таким образом освободив всех. В последних строках прощального письма он просит помочь какому-то слабому, но хорошему часовщику Евгеньеву. Потрясенная этим письмом, Лиза в отчаянии повторяет, что любит одного только Федю.
Через год в грязной комнате трактира сидит опустившийся, оборванный Федя Протасов и разговаривает с художником Петушковым. Федя объясняет Петушкову, что не мог выбрать для себя ни одну судьбу из тех, которые возможны для человека его круга: ему было противно служить, наживать деньги и таким образом «увеличивать ту пакость, в которой живешь», но он и не был героем, способным разрушать эту пакость. Поэтому ему оставалось только забыться — пить, гулять, петь; что он и делал. В своей жене, идеальной женщине, он не находил того, что зовется изюминкой; в их жизни не было игры, без которой невозможно забыться. Федя вспоминает цыганку Машу, которую он любил — более всего за то, что оставил её, и таким образом сделал ей добро, а не зло. «А ведь ты знаешь, — говорит Федя, — мы любим людей за то добро, которое мы им сделали, и не любим за то зло, которое мы им делали».
Протасов рассказывает Петушкову историю своего превращения в «живой труп», после чего его жена смогла выйти замуж за добропорядочного, любящего её человека. Этот рассказ подслушивает случайно оказавшийся поблизости Артемьев. Он начинает шантажировать Федю, предлагая ему требовать от жены денег в обмен на молчание. Протасов отказывается; Артемьев отдает его в руки городового.
В деревне, на террасе, обвитой плющом, беременная Лиза ожидает приезда мужа, Виктора Каренина. Тот привозит из города письма, среди которых оказывается и бумага от судебного следователя с сообщением о том, что Протасов жив. Все в отчаянии.
Судебный следователь снимает показания с Лизы и Каренина. Они обвиняются в двоебрачии и в том, что знали об инсценировке Протасовым самоубийства. Дело осложняется тем, что прежде Лиза опознала найденное в воде мертвое тело как труп своего мужа, а кроме того, Каренин регулярно посылал деньги в Саратов, и теперь отказывается объяснить, кому они предназначались. Хотя деньги пересылались на подставное лицо, именно в Саратове проживал все это время Протасов.
Приведенный для очной ставки Протасов просит прощения у Лизы и Виктора и уверяет следователя, что они не знали о том, что он жив. Он видит, что следователь мучает их всех лишь для того, чтобы показать свою власть над ними, не понимая происходившей в них духовной борьбы.
Во время суда Федя находится в каком-то особенном возбуждении. В перерыве его прежний приятель Иван Петрович Александров передает ему пистолет. Узнав, что второй брак его жены будет расторгнут, а ему и Лизе грозит ссылка в Сибирь, Протасов стреляет себе в сердце. На звук выстрела выбегают Лиза, Маша, Каренин, судьи и подсудимые. Федя просит прощения у Лизы за то, что не мог иначе «распутать» её. «Как хорошо… Как хорошо…» — повторяет он перед смертью.
