En el prólogo de la novela, el doctor John Ray Jr. explica la extraña historia que seguirá a continuación. Según Ray Jr., recibe el manuscrito de Lolita por parte del abogado del autor. El propio autor, conocido por el seudónimo de Humbert Humbert (o H. H.), muere en la cárcel de trombosis coronaria mientras esperaba un juicio. Ray Jr. afirma que, aunque las acciones del autor narradas en esta extensa confesión son despreciables, su escritura sigue siendo hermosa y persuasiva. También indica que la novela se convertirá en una de las favoritas en los círculos psiquiátricos, además de animar a los padres a criar mejor a sus hijos.
En el manuscrito, Humbert relata su apacible infancia y un veraneo en particular, donde conoce a su primer amor, una niña de doce años llamada Annabel. Annabel y Humbert, de trece años, nunca consuman su amor, y la muerte de Annabel por tifus cuatro meses más tarde persigue a Humbert durante su vida.
Aunque Humbert sigue una carrera como profesor de literatura inglesa, pasa un tiempo en una institución mental y lleva a cabo una sucesión de trabajos extraños. A pesar de su matrimonio con una mujer adulta, que acaba en fracaso, Humbert sigue obsesionado con las niñas a las que llama nínfulas. Estas nínfulas le recuerdan a Annabel, aunque no consigue encontrar otra como ella. Finalmente, Humbert llega a Estados Unidos y se aloja en la casa de la viuda Charlotte Haze, en un tranquilo pueblo suburbano de Nueva Inglaterra. Se obsesiona inmediatamente con su hija Dolores, de doce años, también conocida como “Lolita”.
Humbert sigue constantemente los movimientos de Lolita, coquetea ocasionalmente con ella y relata sus anhelos en un diario. Mientras tanto, Charlotte Haze, a quien Humbert desprecia, se ha enamorado de él. Cuando Charlotte envía a Lolita a un campamento de verano, Humbert se casa con ella para estar por siempre cerca de su verdadero amor. Desea estar a solas con Lolita e incluso juega en su mente con la idea de matar a Charlotte.
Un buen día, Charlotte encuentra su diario y, tras enterarse de que la odia, pero ama a su hija, se enfrenta a él. Humbert lo niega todo, pero Charlotte está decidida y sale corriendo de la casa. En ese momento, un coche la atropella y muere al instante.
Humbert, emocionado por las posibilidades que le depara el futuro, va al campamento de verano y recoge a Lolita. Solo varios días después le dice que Charlotte ha muerto. En su relato de los hechos, Humbert afirma que Lolita lo seduce. Los dos recorren el país durante casi un año, durante el cual Humbert se obsesiona cada vez más con Lolita y ella aprende a manipularlo. Cuando ella tiene rabietas o rechaza sus insinuaciones, Humbert la amenaza con llevarla a un orfanato. Al mismo tiempo, un extraño hombre parece interesarse por Humbert y Lolita y comienza a seguirlos en sus viajes.
Finalmente, Humbert consigue un trabajo en el Beardsley College, en algún lugar del noreste, y Lolita se matricula en la escuela. Su deseo de relacionarse con chicos de su edad provoca tensiones en su relación, y Humbert se vuelve más restrictivo en sus normas. Sin embargo, le permite participar en una obra de teatro de la escuela. Lolita comienza a comportarse de forma reservada con Humbert, quien la acusa de ser infiel y tiene comportamientos violentos por los celos. Lolita, repentinamente, manifiesta deseos de irse nuevamente de viaje con Humbert. Es extraño, ya que quiere irse antes del estreno de la obra de la escuela para la que tanto ha ensayado, pero la alegría de Humbert no le permite detenerse mucho en esto. En el camino, Humbert sospecha que nuevamente los están siguiendo. Lolita parece no darse cuenta de nada, pero Humbert la acusa de conspirar con este acosador que es, según Humbert, un detective.
En la ciudad de Elphinstone, Lolita enferma y Humbert debe llevarla al hospital. Él mismo pasa unos días enfermo también. Al recuperarse de un ataque de fiebre, llama al hospital, pero las enfermeras le dicen que el tío de Lolita ya la ha recogido. Humbert monta en cólera y va hasta el hospital. Lolita ha desaparecido.
Durante los dos años siguientes, Humbert busca a Lolita, juntando pistas sobre su secuestrador para poder vengarse. Se relaciona a medias con una mujer llamada Rita, pero entonces recibe una nota de Lolita, ahora casada y embarazada, en la que le pide dinero. Inmediatamente deja a Rita y sale en busca de la niña que es ahora una joven casada.
Suponiendo que Lolita se ha casado con el hombre que los había seguido en sus viajes, Humbert se decide a matarlo. Encuentra a Lolita, ya de diecisiete años, en una muy mala situación económica y embarazada. Humbert se da cuenta de que el marido de Lolita no es el hombre que la secuestró en el hospital. Al ser presionada, Lolita admite que Clare Quilty, un dramaturgo cuya presencia podemos percibir desde el principio del libro, y que venía siguiéndolos, la había sacado del hospital y la había llevado con él. Lolita amaba a Quilty, pero él la echó de su lado cuando la niña se negó a participar en una orgía de pornografía infantil.
Humbert, que aún siente devoción por Lolita, le ruega que vuelva con él. Lolita se niega amablemente. Humbert, igualmente, le da 4.000 dólares. Luego se marcha. Más adelante, localiza a Quilty, va hasta su mansión y le dispara varias veces.
Humbert es arrestado y encarcelado por la muerte de Quilty. Desde allí continúa escribiendo sus memorias, aclarando que solo podrán publicarse tras la muerte de Lolita. Lolita muere joven, en el parto y su bebé muere también. Humbert muere al tiempo de una trombosis coronaria. El manuscrito de las confesiones de Humbert es enviado al doctor John Ray Jr., prologuista del texto, por el abogado de Humbert.
