El 10 de junio de 1940, en la pequeña ciudad ficticia siciliana de Castelcutò, un adolescente llamado Renato Amoroso vive tres acontecimientos importantes: el dictador fascista Benito Mussolini anuncia que Italia entra en la Segunda Guerra Mundial; recibe una bicicleta nueva; ve por primera vez, junto a sus amigos, a la bella y sensual Maddalena "Malèna" Bonsignore Scordìa, que es la joven más deseada del pueblo. Su marido Antonino "Nino" está en las fuerzas armadas luchando contra los británicos en África y ella vive sola. Por su aspecto físico y su condición de solitaria, es objeto de lujuria para todos los hombres del pueblo y de odio para sus mujeres. Vigila a su padre, que es el maestro de escuela de Renato y sus amigos y también vive solo, hasta que recibe una nota anónima difamándola, lo que provoca su rechazo.

Renato se obsesiona con Malèna, la espía en su casa, la acecha cuando sale de ella y piensa en ella en todas sus fantasías eróticas. También le roba ropa interior de su tendedero; cuando sus padres la encuentran en su dormitorio, se enfadan y le castigan estrictamente, tratando de romper su fijación.

Un día, Malèna recibe la noticia de la muerte de su marido, lo que añade dolor a su aislamiento. Se dice que ha estado con muchos hombres; ella, imprudentemente, alimenta estos rumores permitiendo que el joven y apuesto Cadei, oficial soltero de las fuerzas aéreas, la visite al anochecer. Cuando es denunciada y juzgada por la mujer de un anciano dentista, el oficial declara que no era más que un amigo ocasional. La traición duele, pero Malèna no dice nada para condenarlo. Tras su absolución, su abogado le hace una visita y la obliga a pagar sus servicios con sexo.

Renato está muy triste, porque quiere ayudar a Malèna pero no sabe cómo, así que pide a Dios y a sus santos que velen por ella y realiza pequeños actos de venganza contra sus detractores.

Mientras tanto, la guerra llega a Sicilia y la ciudad es bombardeada por los Aliados, matando al padre de Malèna. Ahora, sin un céntimo y despreciada por todos, sin nadie dispuesto a darle trabajo, lo único que puede hacer para sobrevivir es hundirse en la prostitución, cortándose y tiñéndose el pelo y volviéndose complaciente con todos los hombres. La gente del pueblo se alegra de verla como una puta y no como una viuda peligrosa. Cuando las fuerzas nazis ocupan el pueblo, Renato ve a su ídolo con dos soldados alemanes y se desmaya. Su madre, creyendo que se trata de una posesión demoníaca, lo lleva a un cura para que lo exorcice, pero su padre, más práctico, lleva a Renato al burdel del pueblo, donde fantasea con que la prostituta que lo inicia es Malèna.

Los alemanes se marchan y las tropas americanas entran en el pueblo, recibidas con vítores de júbilo. Las mujeres acusan a Malèna de colaboracionismo, asaltan el hotel y la sacan a rastras, arrancándole la ropa, golpeándola y cortándole el pelo. Para escapar a la persecución, abandona la ciudad hostil y se traslada a Mesina. Pocos días después, Nino Scordìa, que en realidad ha sobrevivido como prisionero de guerra pero ha perdido un brazo, vuelve a buscarla. Su casa ha sido tomada por los desplazados y nadie quiere decirle cómo encontrar a su mujer. Renato se entristece cuando los antiguos fascistas se burlan de Nino y le deja una nota anónima en la que dice que Malèna siempre le ha amado sólo a él, pero que ha sufrido desgracias a causa de la guerra y se ha alejado, por lo que Nino decide buscarla.

Un año después, Nino y Malèna regresan y se les ve paseando por la ciudad. Las mujeres notan que ahora tiene un aspecto más matronil y sencillo, aunque siga siendo guapa. Como sigue casada y vive de nuevo con su marido, la gente ya no la considera una amenaza y empieza a hablar de ella y con ella con más respeto. Mientras camina hacia su casa, se le cae una fruta del bolso y Renato se apresura a recogerla. Le desea buena suerte y ella le dedica una enigmática media sonrisa: es la única vez que Malèna y Renato tienen una interacción real en toda la película.

Muchos años después, un envejecido Renato reflexiona que ha conocido a muchas mujeres, muchas de las cuales le pidieron que las recordara, sin éxito; admite que la única mujer que no puede olvidar es Malèna.