Лиза Тураева и Костя Карновский познакомились на гимназическом балу. Они протанцевали вместе весь вечер, а потом решили переписываться. Судьба подарила им совсем немного встреч, поэтому долгая, с 1910 по 1932 г., переписка стала важнейшей частью их жизни.
Мать Лизы давно умерла, отец, полковой офицер, женился на «властной, подозрительной» женщине. Закончив пансион, Лиза учится в гимназии и одновременно даёт уроки в деревне, чтобы иметь возможность поехать в Петербург и поступить там на математический факультет Бестужевских курсов. У неё есть способности к рисованию, но математика, по её мнению, — «самый короткий путь к самостоятельному мышлению». По дороге в Петербург осенью 1913 г. Лиза тайком заезжает в Казань, где живёт и учится студент-математик Карновский. Они проводят вместе чудесный день.
Константин Павлович Карновский родился в Казани, в большой мещанской бедной семье. И при отце, и после его смерти дети жили в постоянном унижении. Но Косте удалось отстоять свою независимость: он усиленно занимался, поступил в университет и стал обеспечивать всю семью. Ещё когда Костя готовился к поступлению в гимназию, для него начался внутренний «отсчёт времени»: ни минуты нельзя было потерять напрасно. Но установленный порядок его жизни каждый раз переворачивался при встрече с Лизой. Ее «изящество, искренность и беспечность» говорили о существовании «какой-то непреложной истины, которая была сильнее всей его математики и не требовала никаких доказательств».
В Петербурге Лиза слушает лекции, ходит в театры и музеи. В одном из писем она рассказывает о поездке к тёте в Москву — здесь, на диспуте о живописи, ей вдруг очень захотелось быть такой же, как художница Гончарова. Лиза ждёт свидания с Костей: ей кажется, что только с ним она может поделиться своими сомнениями, надеждами и желаниями. Ведь Карновский «живёт сознательно, не мечется из стороны в сторону», как она. Но короткий визит в Казань по дороге в Ялту, куда Лиза едет лечить свои лёгкие, не даёт ей удовлетворения: она сомневается в Карновском, в его любви.
Лиза увлекается живописью, но, понимая, что это слишком дорогое удовольствие, продолжает заниматься математикой. Все же однажды она решается больше «не притворяться перед собой» и поступает в художественную мастерскую, много работает у Добужинского, Яковлева. Она уже давно не виделась с Карновским. Зато рядом с ней — учтивый и влюблённый Дмитрий Горин. После того как Костя не приехал в Петербург, Лиза отправляет ему горькое письмо с просьбой больше ей не писать.
Переписка все же продолжается, но Лизины письма так холодны, что это настораживает Карновского, и он едет в Петербург. Костя восхищён Лизой: она стала ещё красивее, к тому же он наконец понимает, что перед ним прирождённая художница.
А потом Лиза отправляется в Казань. Проездом в Москве она посещает галерею Щукина, с изумлением и растерянностью смотрит на картины Матисса, Ренуара, Сезанна, Ван Гога. Неловкость, которую Лиза испытывает на холодном и недобром приёме в семье Карновского, страх потерять независимость, да ещё и случайное упоминание какой-то «Мариши» заставляют Лизу неожиданно уехать, даже не попрощавшись с Костей.
Теперь настала очередь Карновского возвращать нераспечатанные письма. Он занят только работой: преподаёт в университете, в двадцать семь лет его избирают профессором Политехнического института. Но когда Костя узнает, что Лиза никак не может вернуться из захваченной немцами Ялты, он решает ехать туда, несмотря на все трудности. Только болезнь матери заставляет Карновского остаться.
В 1920 г. Ялту освобождают, но Лизы там уже нет. Карновский получает от неё письмо из Константинополя: туда Лиза отправилась со знакомым греком-коммерсантом, обещавшим затем взять её в Париж, но оказавшимся грязным негодяем. Лизе удаётся от него отделаться, но приходится остаться в Турции. Чтобы заработать, Лиза даёт уроки, играет на пианино в пивной. В письмах к Карновскому она часто вспоминает об их встречах, но теперь все это — прошлое, которое надо забыть. Теперь Лиза замужем за «простым, честным» человеком, потерявшим на войне ногу. Муж моложе её, и она испытывает к нему скорее чувство жалости. Какое-то время Лиза увлекается художником Гордеевым, но все же находит в себе силы остаться с мужем.
Наконец Лиза попадает в Париж. Здесь она с помощью Гордеева устраивается расписывать по чужим эскизам то кабаре, то рестораны. Эта работа даёт возможность худо-бедно жить, но оставляет мало времени для собственного творчества. И все-таки Лиза делает успехи: четыре её работы покупает лондонский музей. В свободные минуты Лиза пишет Карновскому. Ей хочется узнать и понять новую жизнь России. Она часто размышляет об искусстве истинном и ложном, о необходимости «духовного творчества». В конце писем Лиза часто передаёт привет Наде, молодой актрисе, спутнице Константина Павловича.
Летом 1925 г. Карновский приезжает в Париж. Он встречается с академиком Шевандье, затем приезжает навестить Лизу в Мениль. Но ревнивый Гордеев, к которому вновь вернулась Лиза, почти не оставляет их одних. Константин Павлович рассматривает работы Лизы, один из холстов похож на её письма к нему: на нем изображено зеркало. Действительно, переписка с Карновским и была для Лизы Тураевой тем зеркалом, «в которое она смотрелась всю жизнь». Наедине Карновский и Лиза проводят лишь десять минут.
В другой раз, когда Карновский оказывается в Париже, Лиза отправляется к нему тайком. Но у Константина Павловича начинается приступ малярии, и Лиза, ценой разрыва с Гордеевым, остаётся с любимым целый день. Теперь она свободна. В одном из писем Лиза размышляет о любви, которая постоянно разлучала их, но тем самым защищала от пошлости, учила нравственности и терпению, очищала душу и вела её к самопознанию.
В марте тридцать второго года Елизавета Николаевна получает письмо от московского доктора, который извещает её о тяжёлой болезни Константина Павловича. Оберегая любимого от огорчений, Лиза в своих посланиях приукрашивает действительность. На самом деле надежды вернуться на родину почти нет, жить становится все труднее, но зато она много работает в Париже и на Корсике, где у неё есть друзья-итальянцы. Карновский выздоравливает, ему удаётся получить для Лизы разрешение вернуться в Россию. А Елизавета Николаевна наконец добивается признания: в Париже с успехом проходит её выставка. Только сил у художницы почти не остаётся. «Я скрывала от тебя, что очень больна, но теперь, когда я знаю, что скоро увижу тебя...» — эта последняя строка завершает переписку Елизаветы Тураевой и Константина Карновского.