Humbert Humbert, główny bohater powieści i zarazem jej narrator, opowiada historię swojej fascynacji Lolitą. Jest to narracja w formie zeznania przed sądem. Na początku wyjaśnia naturę swoich upodobań. Przy tej okazji przywołuje swoją pierwszą młodzieńczą miłość do Anabel.
Świadomy norm społecznych, bardzo się krył ze swoimi fascynacjami. By uniknąć podejrzeń, zdecydował się na małżeństwo z Walerią, kobietą nieciekawą. Kiedy zakomunikował żonie, że wyjeżdżają do Ameryki, okazało się, że ma ona kochanka i nie zamierza go porzucić. Humbert, choć jej nie kochał i w sumie rozwód był dla niego wygodnym rozwiązaniem, był bardzo zaskoczony i oburzony. Nie podejrzewał, że żona, która dla niego znaczyła tak niewiele, może cieszyć się czyjąś miłością, przeżywać i ukrywać przed nim burzliwy romans.
Po rozwodzie ponad rok leczył się z zaburzeń natury psychicznej. Kiedy w końcu dotarł do Ameryki, okazało się, że nie ma gdzie mieszkać. Przez przypadek trafił do domu pani Haze. Miejsce to nie podobało mu się i miał zamiar szybko stamtąd uciec, ale okazało się, że pani Haze ma nastoletnią córkę, Dolores, czyli Lolitę.
Humbert zostaje. Większość czasu spędza na podglądaniu dziewczyny i szukaniu sposobów zbliżenia się do niej. Jest jednak bardzo ostrożny, by matka nie nabrała żadnych podejrzeń. Faktycznie pani Haze, która sama nie lubi swojej córki, nie podejrzewa, że ktokolwiek może ją polubić. Denerwują ją natomiast przejawy sympatii Lolity do Humberta.
Humbert dyskretnie uwodzi córkę, podczas gdy matka zastawia sidła na niego. W końcu pani Haze wysyła Lolitę na letni obóz, sama zaś zostawia Humbertowi list z miłosnym wyznaniem. Zaskoczony Humbert w pierwszej chwili ma ochotę uciec, w końcu jednak dochodzi do wniosku, że małżeństwo z matką będzie dla niego doskonałą okazją do zbliżenia się do córki. Następuje cichy ślub.
Humbert nie może doczekać się powrotu Lolity z obozu. Kiedy pani Haze informuje go, że zamierza wysłać ją do odległej szkoły z internatem, Humbert nie może oponować, ale czuje się zdruzgotany. Nachodzą go nawet myśli o zamordowaniu żony, choć wie, że nie jest do tego zdolny. Kiedy rozważa, jak zatrzymać Lolitę przy sobie, ciekawska i zazdrosna żona włamuje się do jego stolika i znajduje notatki na temat tego, co Humbert czuje do niej i do jej córki. Jej świat się zawala. Roztrzęsiona pisze dwa listy i biegnie na pocztę. Humbert rozpaczliwie zastanawia się, jak to wszystko wytłumaczyć, gorączkowe myśli przerywa dzwonek telefonu. Okazuje się, że jego żona nie żyje – wpadła pod samochód pędząc, żeby wrzucić listy do skrzynki.
Humbert wiarygodnie odgrywa rolę zbolałego wdowca, insynuuje nawet, że Lolita jest jego prawdziwą córką, wynikiem romansu, jaki miał z jej matką przed laty. Potem zabiera Lolitę z obozu i planuje namiętną noc w hotelu. Przy kolacji podaje dziewczynie środki nasenne, ale okazują się na tyle słabe, że obawia się zrobić cokolwiek. Nad ranem Lolita sama inicjuje zbliżenie. Chwali się nawet, że na obozie straciła dziewictwo. Humbert jest zgorszony. Chwilę potem dziewczyna oskarża go o gwałt, pozbawienie jej cnoty i straszy policją.
Humbert wyjawia jej w końcu, że jej matka nie żyje. Podróżują razem po Stanach, zatrzymując się w różnych hotelach. Lolita jest kapryśna, ma zmienne humory. Ulega mu i zachowuje tajemnicę pod groźbą poprawczaka. Humbert staje się nieufny, zauważa, że Lolita coś przed nim ukrywa, dziwnie się zachowuje. Jego uwagę zwraca też śledzący ich samochód. Nie jest pewien, czy to jego urojenia, czy ktoś za nimi podąża. W pozornie przypadkowych zdarzeniach doszukuje się prób porwania jego ukochanej. Ich podróż kończy się w Beardsley. Dziewczyna musi wrócić do szkoły, ojczym posyła ją do prywatnej placówki i cierpi katusze zmuszony spędzać całe godziny bez niej. Kolejne podejrzenia skłaniają go opuszczenia miasta, znów zaczyna się dziwna podróż kochanków.
Lolita ma wysoką gorączkę i na kilka dni trafia do szpitala. Kiedy dochodzi do zdrowia, Humbert akurat czuje się bardzo źle. Śledzący ich mężczyzna wykorzystuje to, aby – podając się za stryja – porwać dziewczynę ze szpitala. Humbert, który ma nieczyste sumienie, nie może zawiadomić policji i na własną rękę próbuje odnaleźć porywacza i ukochaną. Mijają lata, a trop prowadzi donikąd. Humbert pracuje na uczelni, nawiązuje romans z dorosłą kobietą, Ritą i nie przestaje tęsknić za Lolitą. Kiedy dostaje od niej list, w którym zawiadamia, że jest mężatką, spodziewa się dziecka i potrzebuje pieniędzy, by wraz z mężem wyjechać do Kanady, Humbert rzuca wszystko wyrusza z zamiarem zabicia męża Lolity. Okazuje się jednak, że nie jest nim porywacz sprzed lat, ale zupełnie inny, poczciwy i niezbyt rozgarnięty młody człowiek.
Mimo oporów Lolita wyjawia ojczymowi prawdę – owym porywaczem był dawny znajomy rodziny, autor sztuk teatralnych. Lolita uciekła z nim dobrowolnie, bo obiecywał jej przesłuchania w Hollywood. Poza tym kochała go. Mężczyzna zmuszał ją jednak do zbiorowych orgii, które nagrywał, na co ona się nie godziła, więc ją wyrzucił. Musiała radzić sobie sama, pracowała na zmywaku. Poznała Dicka, pobrali się i spodziewają dziecka, ale wciąż brakuje im pieniędzy. Mimo iż Dolores nie jest już lolitką, Humbert nadal ją kocha, proponuje jej wspólną przyszłość, prosi choć o cień nadziei, ale ona stanowczo odmawia. Jest wdzięczna za pieniądze, które jej dał i to wszystko. Humbert zabija Clare'a Quiltiego.