John Ray Jr. écrit dans un avant-propos (fictif) comment Humbert Humbert, auteur du manuscrit intitulé « Lolita, ou La confession d'un veuf de race blanche », est mort en prison juste avant le début de son procès en 1952.
Le roman est ensuite celui du narrateur, Humbert. Rappelons que ce roman est à partir d’ici subjectif et raconté du point de vue d’un pédophile et prédateur sexuel, et que le point de vue sur les actions et opinions des personnages son entièrement perçues à travers ce prisme biaisé.
Il commence par détailler son enfance en Europe et sa formation universitaire. Il raconte son histoire d'amour d'enfance tragique pour Annabel Leigh dont la mort l'a traumatisé, évènement charnière point fondateur de sa personnalité. Il détaille son enfance européenne et sa formation d'érudit et raconte son amour d'enfance tragique pour Annabel Leigh, dont la mort a traumatisé Humbert. IL est depuis obsessionellement attiré par les « nymphettes », jeunes filles détenant selon ses dires un mystérieux pouvoir de séduction.
Il raconte sa vie à Paris, son mariage de dépit, son divorce, et son déménagement au États Unis. Frappé d'une vague de dépression, il alterne entre séjour d'internements psychiatriques et petits boulots d'écriture, avant de s'installer à Ramsdale, en Nouvelle Angleterre. Il loue une chambre chez la veuve Charlotte Haze, dont la fille, Dolores, ravissante, lui rappelle Annabel. Humbert, séduit par l'enfant, flirte avec elle mais n'ose rien entreprendre, de peur que sa mère, qui le convoite, ne découvre sa nature pédophile. Dolores part en colonie de vacances et Humbert épouse Charlotte Haze à contrecœur, dans le but de se rapprocher de celle qu’il appelle Lolita.
Humbert caresse l'idée d'assassiner sa nouvelle femme, mais n'y parvient pas. Finalement elle découvre son journal intime rempli de confessions de son amour pour sa fille et sa haine pour elle, la mère, et annonce qu'elle le quitte. Cependant, elle est immédiatement renversée par une voiture en traversant la rue pour s'en aller. Devenu son père adoptif et gardien légal, Humbert va retrouver Dolores en colonie de vacances. Sur le trajet du retour, il finit par lui annoncer la mort de sa mère et, dans un hôtel appelé The Enchanted Hunter, il la viole pour la première fois. Un étrange individu semble les remarquer et s'intéresser à eux.
Le duo se lance, sous l'initiative d'Humbert, dans une traversée des États-Unis en voiture qui durera un an. Il alterne menace et chantage pour plier la jeune fille à ses exigences sexuelles. Finalement, il trouve un emploi au Beardsley College et l'inscrit dans une école pour filles. Le désir réel ou imaginaire qu’elle souhaite fréquenter des garçons de son âge créé des tensions dans leur relation, Humbert se montrant de plus en plus jaloux et paranoïaque, tentant au mieux de la garder sous sa coupe. Il accepte de la laisser jouer dans une pièce de théâtre de l'école intitulée « Les chasseurs enchantés ».
Soupçonnant la jeune fille d'infidélité, ils partent à nouveau pour un périple évoquant plutôt une fuite en avant. Un homme ressemblant à un oncle d'Humbert, Gustave Trapp, semble les suivre, et le narrateur soupçonne Dolores d'être en contact avec lui. Alors que celle-ci tombe malade et est hospitalisée dans un cabinet médical, elle disparaît, enlevée par l'étrange personnage qui les poursuit. Humbert essaie en vain de la retrouver pendant les deux années qui suivent, se liant en route à une femme, Rita. Il reçoit une lettre de la jeune fille disparue, désormais mariée et enceinte, lui demandant de l'argent.
Humbert prévoit d'assassiner le mari de Dolores, mais lorsqu'il leur rend visite, il découvre à sa grande surprise que son kidnappeur de l'époque n'était autre que Clare Quilty, le réalisateur de la pièce de théâtre, dont sa nymphette était tombée amoureuse. Ce dernier l'avait rejeté après qu’elle ait refusé de participer à ses films pédopornographiques, et elle n'a rencontré son mari que par la suite. Elle décline son invitation à vivre avec lui, et il repart le cœur brisé.
Mué par la rage, Humbert se rend où habite Quilty et, au cours de leur entrevue, il lui tire dessus à plusieurs reprise et le tue. Le narrateur est arrêté et emprisonné, et c'est pendant son séjour en prison qu'il termine ses mémoires. Comme nous l'avons appris dans la préface, il meurt peu de temps après en captivité, et Dolores meurt en accouchant au cours de ce même Noël.
