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 ее 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 ее с детства, она в глубине души отвечает ему взаимностью; Виктор любит и ее 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 ее 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 ее 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 ее, 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 ее человека. Этот рассказ подслушивает случайно оказавшийся поблизости Артемьев. Он начинает шантажироватьФедю, 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» ее. «Как хорошо... Как хорошо...» – повторяет он перед смертью.