小说描述一位从法国移民美国的中年男子亨·亨伯特（Humbert Humbert）在少年时期，与一14岁的少女安娜贝儿发生了一段初恋，最后安娜贝儿因伤寒而早夭，造就了亨伯特的恋童癖（The child I love），他将“小妖精”定义为“九到十四岁”。
亨伯特最先被一名富有的寡妇抛弃，后来又迷恋上女房东Charlotte Haze的12岁女儿洛丽塔（Lolita），称呼她为小妖精。由于儿时的阴影，亨伯特对洛丽塔无法自拔，为了亲近这名早熟、热情的小女孩，亨伯特娶女房东为妻，成为洛丽塔的继父。小说中的女孩原名桃乐莉·海兹（Dolores Haze），西班牙文发音的小名为洛丽塔（Lolita）或洛（Lo），因此作为书名。
后来女房东在丈夫的日记中发现自己的丈夫对女儿的企图和对自己的不忠，十分生气，于是写了三封信（后来被亨撕碎，但根据文章中，信的残篇段句，三封信的内容想表达妻子想离开丈夫一段时间，然后再找机会复合，表现出妻子对丈夫的爱）在寄信的途中被车子撞死。亨伯特将洛丽塔从夏令营接出来一起旅行，他以为在洛丽塔的饮料中下药，就可以在不知不觉中猥亵她。
结果药对洛丽塔全无效果（因为那并不是真正的强力安眠药），相反第二天清晨洛丽塔主动挑逗亨伯特，发生乱伦的关系。亨伯特然后告知洛丽塔她的母亲已经去世，至此洛丽塔在别无选择的情况下接受了必须和继父生活下去的这个现实。 亨伯特带着洛丽塔以父女的身份沿着美国旅游，他利用零用钱、美丽的衣饰和美味的食物等小女孩会喜欢的东西来控制洛丽塔，以及继续满足自己对她的欲望。洛丽塔长大后，开始讨厌继父，她意识到“即使是最可悲的家庭生活也比这种乱伦状况好”。于是她开始跟年纪相当的男孩子交往，并借着一次旅行的机会脱离继父的掌握，一开始亨伯特疯狂的寻找，但是最终还是放弃了。
三年过去，一日亨伯特收到洛丽塔的来信，信上说她已经结婚，并怀孕了，需要继父的金钱援助。亨伯特给了她400美元现金和3600美元的支票还有把屋子卖了买家先付的10000美元跟房子的契约。他要求洛丽塔说出当时拐走她的人，洛丽塔告诉他那人正是奎迪（Quilty）（ 作品中被女主角认为是东方天才哲学家），其为学校演出的剧作家，并告诉他，她和奎迪出走后，因为拒绝了奎迪要她和其他男孩子拍摄色情影片的要求，而被奎迪赶了出来。亨伯特请求洛丽塔离开她的丈夫和他走，但是她拒绝了这个要求，亨伯特伤心欲绝。他追踪并枪杀了奎迪。最终， 亨伯特因血栓病死于狱中，而17岁的洛丽塔则因难产死于1950年圣诞。