El narrador afirma que, aunque ya se conoce la historia del legendario rey que sacó la legendaria espada de la piedra, ésta no es su historia, sino la de su sobrino. Sir Gawain (Dev Patel) se despierta en un burdel y encuentra a su novia Essel (Alicia Vikander) pidiéndole que vaya a la iglesia, pero él no quiere. Gawain también vive con su madre (Sarita Choudhury).

Es el día de Navidad. Gawain visita a su tío, el rey Arturo (Sean Harris), que está celebrando una fiesta con los demás caballeros y la reina Ginebra (Kate Dickie). Arturo le pide a Gawain que le deleite con historias, pero Gawain dice que no tiene ninguna que contar. Guinevere se limita a decir que aún no tiene nada que contar. El banquete es interrumpido por el Caballero Verde (Ralph Ineson), una gran criatura con aspecto de árbol que llega a caballo. Lanza un desafío a todos los presentes para que se acerquen a él y le den un golpe. Quien lo haga deberá encontrarlo en un año para que el Caballero le devuelva el mismo golpe en su Capilla Verde. Nadie más que Gawain acepta el reto. Arturo incluso le permite empuñar Excalibur para la hazaña. El Caballero Verde deja su hacha en el suelo y se inclina para permitir abiertamente que Gawain dé un golpe. Le corta la cabeza al Caballero, y el cuerpo recoge la cabeza para recordarle a Gawain que lo encuentre en un año.

El año completo casi pasa, con Gawain preparándose para ir en su búsqueda. Essel intenta convencerle de que no lo haga para que se quede con ella y puedan formar una familia, pero Gawain siente que es su deber completar esta tarea. Después de hablar con su madre y con Arturo, Gawain toma un caballo y se pone en marcha.

En su viaje, Gawain ve a un zorro que le observa y más tarde cabalga por un campo lleno de cadáveres. Un carroñero (Barry Keoghan) se acerca a Gawain y habla con él hasta que Gawain menciona que está viajando a la Capilla. El carroñero le da indicaciones, pero cuando Gawain comienza a cabalgar, el hombre le pide una recompensa a cambio de su orientación. Gawain le da una sola moneda y continúa su viaje. Mientras atraviesa el bosque, Gawain es abordado por otros dos carroñeros aliados del primero. Atan a Gawain y le roban su caballo y el hacha del Caballero Verde antes de dejarlo allí. Gawain se arrastra hasta su espada y se libera.

Continuando su viaje, Gawain se detiene en una casa para descansar por la noche. Es llamado por el espíritu de una mujer llamada Winifred (Erin Kellyman), que le pide el favor de sacar su cabeza del lago. Gawain accede a hacerlo pero le pregunta qué obtendrá a cambio, y la pregunta parece ofenderla. Se sumerge en el agua y pesca su cráneo antes de volver a la casa. La cabeza de Winifred se dirige entonces a Gawain para, al parecer, advertirle de que siga buscando al Caballero Verde. Gawain también es recompensado con un hacha similar a la que llevaba anteriormente.

A la mañana siguiente, Gawain reanuda el viaje. Pasa por delante de un grupo de mujeres gigantes que caminan. Cuando intenta pedirles ayuda, una de ellas aparece para intentar agarrarlo hasta que el zorro regresa y aúlla una especie de melodía a la gigante. La gigante y su grupo se unen al zorro para responder con un ruido musical similar.

Gawain encuentra varias setas para comer, pero éstas le hacen enfermar y le provocan alucinaciones. Acaba en casa de una pareja, conocida sólo como Lord (Joel Edgerton) y Lady (también Alicia Vikander), esta última por la que Gawain se siente atraído. Los dos también viven con una anciana ciega que no habla. La pareja ofrece refugio a Gawain después de que éste les cuente su viaje. Durante el tiempo que pasa con ellos, la Dama se acerca a Gawain a cambio de una faja que lleva y que supuestamente protege al portador de cualquier daño. Le hace una paja y le pasa la mano por encima, diciéndole que no es un caballero.

Gawain comienza a marcharse cuando es encontrado por el Señor, que previamente había pedido a Gawain que le diera lo que le devuelve. El Señor besa a Gawain e intenta seducirlo, pero Gawain le miente para librarse. El Señor le da entonces a Gawain el zorro, que había capturado como juego.

Al acercarse a la Capilla, el zorro habla entonces a Gawain y le advierte que se acercará a su perdición si cumple su parte del trato. Gawain se limita a responder intentando blandir la espada sobre el zorro, que entonces huye.

Gawain llega a la Capilla Verde y encuentra al Caballero Verde dormido. Después de permanecer allí durante más de un día, llega el día de Navidad y el Caballero se despierta. Gawain pone su hacha a los pies del Caballero y se prepara para que éste le devuelva el golpe que le ha dado. En cambio, Gawain se estremece y le pregunta al Caballero si esto es todo lo que hay. El Caballero Verde responde: "¿Qué más hay?". Gawain entonces sale corriendo y huye de la Capilla.

Gawain parece hacer su viaje a casa mientras monta un nuevo caballo. Llega hasta donde están los enfermos Arturo y Ginebra, que yacen en su lecho de muerte. Arturo hace caballero oficialmente a Gawain, y éste sucede a Arturo como rey cuando éste muere. Gawain se reencuentra con Essel y le hace el amor, engendrando un hijo con ella, pero el niño le es arrebatado de inmediato, y ella queda arrastrándose en agonía antes de ser abandonada en los barrios bajos. Más tarde, Gawain se casa con una nueva reina (Megan Tiernan) y se acuesta con ella, pero nunca se quita el fajín que le regaló la Dama. Pasan los años y Gawain parece ser un rey infeliz. Su hijo vive hasta la adolescencia y muere en la batalla. Cuando se enfrenta a sus súbditos, ve a Essel entre la multitud que le mira con desdén. Gawain engendra una hija con la reina, pero le abandonan porque ya es viejo y canoso, y los enemigos se acercan a su castillo. Al quedarse solo y prepararse para la derrota, Gawain se quita la faja y se le cae la cabeza.

Esto era sólo una visión que Gawain estaba experimentando, ya que todavía está en la Capilla preparándose para que el Caballero blinde su hacha. Antes de hacerlo, Gawain se quita la faja y se la da al Caballero, y luego dice que está listo. El Caballero Verde se arrodilla entonces ante Gawain y le dice suavemente: "Bien hecho, mi pequeño y valiente caballero". Luego pasa juguetonamente su dedo por el cuello de Gawain y le dice: "Ahora, quítate la cabeza".