从法国移民美国的中年男子杭伯·杭伯特（或译作亨伯·亨伯特，Humbert Humbert）在少年时期，与一个14岁的少女安娜贝儿发生一段初恋，最后安娜贝儿因伤寒而早夭，造就杭伯特的恋童癖，他将性偏好的“小妖精”定义为“九到十四岁的漂亮女孩”。如今有文学成就的他最先被一名富有的寡妇抛弃，后来又迷恋上女房东夏绿蒂·海斯（Charlotte Haze）的女儿－符合小妖精标准的朵洛蕾丝（Dolores） ，亲呼她为小妖精或昵称萝莉塔（Lolita）。尽管海兹母女俩时常吵闹，但心底还是深爱彼此。
由于少年时的阴影，杭伯特对萝莉塔无法自拔，关注著她的一举一动。为了继续接触这名早熟、热情的小女孩，在她前往夏令营后，杭伯特娶了倾慕自己的夏绿蒂为妻，成为萝莉塔的继父。萝莉塔因为幼年时便失去父亲，也期待和蔼待己的亨伯特成为她的新爸爸，然而他的意图是成为她的“情人”。后来夏绿蒂察觉到亨伯特的诡异行径，打开放在他锁住的抽屉里的日记，发现自己的丈夫对未成年女儿的企图和对自己的侮辱，急著要写信给女儿告知其恶行，却在跑出门寄信时车祸身亡。杭伯特暗自庆幸地烧掉那封信。
后来他将萝莉塔从夏令营接出来一起旅行，并欺骗她夏绿蒂生病住院。当晚俩人同住一间房，他以为在萝莉塔的饮料中下药，就可以在不知不觉中猥亵她。结果药对萝莉塔全无效果，直到隔天清晨两人发生关系。稍后杭伯特终于坦白她的母亲已经去世，至此萝莉塔在别无选择的情况下，接受了必须和发生过性关系的继父生活下去的这个现实。杭伯特带著萝莉塔以父女的身份沿著美国旅游，他利用零用钱、美丽的衣饰等小女孩会喜欢的东西来控制萝莉塔，以继续满足自己对她的欲望。
旅途结束后，“父女俩”搬到杭伯特任教的地区展开新生活，并安排她进入女校就读。他自认完美身兼父亲与恋人，对她的管控也愈发严格，而萝莉塔暗自下定决心必须逃离不正常的乱伦关系，因没有经济能力而开始透过满足继父的欲求以赚取逃离他的金钱，两人关系日渐紧张。在一次争执中，杭伯特出手打了萝莉塔，她大喊道：“快杀我，就像你杀了我妈那样！（Murder me like you murdered my mother! ）”随后哭吼逃家。雨夜里杭伯特在一家甜品店找到萝莉塔，情绪缓和后的两人决定再次出游。
旅途中一名男子跟随他们，杭伯特担心父女俩的真实关系被揭穿，并且在发现萝莉塔涂改了记录下来的车牌号码时再次打她。后来萝莉塔藉著伤寒住院的机会脱离继父的掌握，一开始杭伯特疯狂的寻找，但是最终还是放弃。
几年后，杭伯特收到朵洛蕾丝的来信，信上说她已经结婚并怀孕，但需要继父的金钱援助。他本想杀了她的丈夫，却发现并不是当初带走她的男人。杭伯特给朵洛蕾丝大量的现金，并请她跟他离开，遭到只想把他当作父亲的朵洛蕾丝拒绝后，要求她说出当时拐走她的人。她只好说道，那人正是奎迪（Quilty）－他早就发现父女俩不寻常的关系。萝莉塔喜欢上奎迪，视他为逃离继父的机会而与他密谋逃脱计画。和他出走后，因为拒绝奎迪要她和其他男孩子拍摄色情影片的要求，而被他赶走。
杭伯特难过的离开，追踪并枪杀奎迪而被警察逮捕。最终，杭伯特因血栓病死于狱中，留下这篇对陪审团的自白。而17岁的朵洛蕾丝则因难产死于圣诞节，两人先后在同年（1950年）去世。