Гумберт Гумберт, тридцатисемилетний преподаватель французской литературы, испытывает неординарную склонность к нимфеткам, как он их называет — очаровательным девочкам от девяти до четырнадцати лет. Давнее детское впечатление наделило его этим подпольным переживанием, отвращающим от более зрелых женщин. Действие романа-исповеди, который пишет находящийся в тюрьме Гумберт, относится к лету 1947 г. За десять лет до этого, живя в Париже, он был женат, но жена оставила его ради русского полковника-эмигранта как раз накануне его переезда в Америку. Там он принимал участие в разных исследовательских проектах, лечился в санаториях от меланхолии и вот, выйдя из очередной больницы, снял в Новой Англии дом у госпожи Шарлотты Гейз. У хозяйки двенадцатилетняя дочь Долорес — Ло, Лолита, напоминание о той детской влюблённости Гумберта, потеря которой придала его эротической жизни столь странное направление.

Страницам своего дневника Гумберт поверяет о томительном вожделении к Лолите, как вдруг узнает, что мать отправляет её в летний лагерь. Шарлотта пишет Гумберту письмо, в котором объясняется в любви к нему, и требует покинуть её дом, если он не разделяет её чувств. После некоторого колебания Гумберт принимает предложение «перейти из жильцов в сожители». Он женится на матери, ни на минуту не забывая о своей будущей падчерице. Отныне ничто не помешает ему общаться с ней. Однако выясняется, что после свадьбы Шарлотта намерена отправить Лолиту сразу после лагеря в пансионат, а затем в Бердслей Колледж. Планы Гумберта рушатся. Во время плавания в лесном озере он хочет утопить жену, но не может, к своему сожалению, узнав, что за ними с холма следит соседка-художница.

Госпожа Гумберт находит и прочитывает дневник мужа и полностью его разоблачает. Пока он лихорадочно обдумывает, как выйти из этой ситуации, Шарлотта в слезах и гневе бежит через дорогу отправлять письма и попадает под машину.

После похорон жены герой отправляется за Лолитой. Разжившись одеждой для неё и снотворными пилюлями, он сообщает девочке, что её мама в больнице накануне серьёзной операции. Забрав Лолиту из лагеря, Гумберт собирается возить её по городкам и гостиницам. В первой из них он даёт девочке снотворное, чтобы насладиться ею спящей. Снотворное не действует. Ночь мучений и нерешительности Гумберта, не смеющего прикоснуться к Лолите, заканчивается её утренним пробуждением и соблазнением отчима. К изумлению последнего, Лолита не была девственницей, совсем недавно она «попробовала» это с сыном начальницы лагеря.

Близость изменяет отношения Гумберта с Лолитой. Он открывает, что её мать мертва. С августа 1947 г. в течение года они путешествуют по Соединённым Штатам, меняют мотели, коттеджи, гостиницы. Герой старается подкупить девочку обещанием разных удовольствий и угрожает бедами, если она выдаст его полиции как совратителя. Перед путешественниками открываются многочисленные достопримечательности страны. Параллельно между ними случаются скандалы. Райское блаженство никак не сулит стабильного счастья. Вместо того чтобы затаиться где-нибудь в Мексике, Гумберт поворачивает на восток Америки, чтобы отдать девочку в частную гимназию в Бердслее.

1 января 1949 г. Лолите исполняется четырнадцать лет. Она уже отчасти теряет прелесть своей нимфеточности, лексикон её делается невыносим. Она требует денег от Гумберта за удовлетворение его особых желаний, прячет их, чтобы, как он подозревает, накопив, сбежать от него. В гимназии она начинает увлекаться театром. Репетируя пьесу «Зачарованные охотники», Лолита влюбляется в её автора, знаменитого драматурга Куильти, неотразимого героя рекламы папирос «Дромадер». Чуя неладное, Гумберт за неделю до премьеры увозит Лолиту из Бердслея.

Летом 1949 г. начинается их последнее путешествие по Америке. Гумберта преследуют подозрения о её измене. Он боится оставлять Лолиту надолго одну, проверяет пистолет, который хранит в шкатулке. Однажды он замечает следующий за ними в отдалении вишнёвый «кадиллак». Кто-то нанял детектива следить за ними? Что это за лысоватый господин, с которым торопливо разговаривала Лолита? По дороге в городках они смотрят пьесы неких Куильти и Дамор-Блок. Их преследователь меняет автомобили, в вишнёвом «кадиллаке» обнаруживаются какие-то актёры. Лолита обманывает Гумберта, водит его за нос вместе с сообщниками своего нового любовника.

В Эльфинстоне Лолиту с высокой температурой забирают в больницу. Впервые за два года Гумберт разлучён со своей любимой. Потом заболевает и он сам. Когда же он собирается забрать Лолиту из госпиталя, оказывается, что накануне она уехала со своим «дядюшкой».

Три с половиной года проходят без Лолиты. Сначала Гумберт едет в обратном порядке по следам своего изобретательного соперника. Осенью он достигает Бердслея. До следующей весны лечится в санатории. Потом встречает тридцатилетнюю наивную, нежную и безмозглую подружку по имени Рита, спасшую Гумберта от смирительной рубашки. Год преподаёт в Кантрипском университете. И наконец оказывается в Нью-Йорке, где 22 сентября 1952 г. получает письмо от Лолиты. Она сообщает, что замужем, что ждёт ребёнка, что ей нужны деньги расплатиться с долгами, поскольку муж собирается вместе с ней на Аляску, где ему обещана работа.

Гумберт определяет по штемпелю адрес и, прихватив с собой пистолет, отправляется в дорогу. Он находит Лолиту в какой-то лачуге на окраине маленького городка замужем за почти глухим ветераном войны. Она наконец открывает имя своего соблазнителя: это драматург Клэр Куильти, весьма неравнодушный к маленьким детям развратный гений. Она думала, что Гумберт давно уже вычислил его. Куильти, украв её, повёз на ранчо, уверяя, что осенью повезёт в Голливуд пробоваться на роль. Но там Лолиту ждали пьянство, наркотики, извращения и групповые оргии, в которых она отказалась принимать участие, и была вышвырнута на улицу. Далее тяжёлые заработки на жизнь, встреча с будущим мужем...

Гумберт предлагает Лолите немедленно уехать с ним от мужа, она отказывается, она никогда его не любила. Гумберт даёт ей с мужем четыре тысячи долларов — доход от дома её покойной матери — и отправляется на охоту за драматургом Клэром Куильти.

Он испытывает что-то вроде раскаяния перед Лолитой. Гумберт возвращается в Рамздэль, где жил с Шарлоттой, переводит все имущество на имя Лолиты, узнает адрес Куильти.

Затем он едет в Паркингтон, где проникает в родовой замок своего врага, и с пистолетом в руках ведёт с ним полубезумный разговор, чередующийся выстрелами, осечками, промахами, попаданиями, борьбой двух немолодых и полуразрушенных тел, чтением приговора в стихах. Все это делает сцену мщения фарсовой. Куильти бежит от своего палача, тот стреляет в него... В доме появляются очередные гости Куильти, пьют его водку, не обращая внимания на заявление Гумберта, что он убил их хозяина. В это время на верхнюю площадку выползает окровавленный Куильти, там он «тяжело возился, хлопая плавниками; но вскоре... застыл — теперь уже навсегда». Гумберт уезжает из замка.

«Лолиту», свою исповедь, он пишет сначала в лечебнице для психопатов, где проверяют его рассудок, а потом в тюрьме в ожидании суда, не дождавшись которого умирает от сердечного приступа. Вскоре после Гумберта умрёт и Лолита, разрешившись на Рождество 1952 г. мёртвой девочкой.