En el París de 1482, Clopin, un titiritero gitano, narra el origen del jorobado titular veinte años antes. En 1462, un grupo de gitanos se cuela ilegalmente en París, pero es emboscado por el juez Claude Frollo, ministro de Justicia de París, y sus soldados. Una gitana del grupo intenta huir con su bebé llorando, mientras Frollo la persigue en su caballo; ella llega a las puertas de Notre Dame, suplicando "¡Santuario!" mientras Frollo se acerca a ella, y le arrebata el fardo de lo que cree que son "bienes robados", dándole una patada mortal hacia atrás contra las escaleras de la catedral, donde se golpea la cabeza y muere. Sorprendido por el hecho de que el fardo es en realidad un bebé, y repelido por su aspecto deforme, Frollo intenta ahogar al niño en un pozo, pero el archidiácono de la catedral interviene y acusa a Frollo de haber asesinado a una mujer inocente ante los "ojos de Notre Dame", las estatuas de los santos y la Virgen María que contemplan la catedral. Para expiar su pecado, Frollo acepta a regañadientes criar al niño deforme como si fuera suyo, llamándolo "Quasimodo", que significa 'medio formado', y escondiéndolo en el campanario de la catedral.

Veinte años más tarde, en 1482, Quasimodo se convierte en un joven amable y aislado, aunque todavía deforme y ahora con una pronunciada joroba, que ha vivido toda su vida en el interior de la catedral. Un trío de gárgolas de piedra vivas -Víctor, Hugo y Laverne- son la única compañía de Quasimodo y le animan a asistir a la Fiesta de los Locos que se celebra anualmente. A pesar de las advertencias de Frollo de que sería rechazado por su deformidad, Quasimodo asiste al festival y es celebrado por su torpe apariencia, sólo para ser humillado por la multitud después de que dos de los guardias de Frollo inicien un disturbio. Frollo se niega a ayudar a Quasimodo, pero Esmeralda, una amable gitana, interviene liberando al jorobado, y utiliza un truco de magia para evadir el arresto. Frollo se enfrenta a Quasimodo y lo devuelve al interior de la catedral.

Esmeralda sigue a Quasimodo al interior, pero es seguida por el capitán Phoebus de la guardia de Frollo. Phoebus se niega a arrestarla por supuesta brujería dentro de Notre Dame y en su lugar le dice a Frollo que ella ha reclamado asilo dentro de la iglesia; el archidiácono ordena a Frollo y a sus hombres que salgan. Esmeralda encuentra y se hace amiga de Quasimodo, que la ayuda a escapar de Notre Dame en agradecimiento por haberle defendido. Ella le confía a Quasimodo un colgante que contiene un mapa del escondite de los gitanos, la Corte de los Milagros. Frollo pronto desarrolla sentimientos lujuriosos por Esmeralda y, al darse cuenta de ellos, ruega a la Virgen María que le salve de su "hechizo" para evitar la condena eterna. Cuando Frollo descubre que ella ha escapado, instiga una búsqueda por toda la ciudad para encontrarla, lo que implica sobornar y arrestar a gitanos e incendiar innumerables casas en su camino. Horrorizado cuando Frollo le ordena quemar una casa con una familia dentro, Phoebus le desafía abiertamente y Frollo ordena ejecutarlo. Mientras huye, Febo es alcanzado por una flecha y cae al río Sena, pero Esmeralda lo rescata y lo lleva a Notre Dame para que se refugie. Las gárgolas animan a Quasimodo a confesar sus sentimientos por Esmeralda, pero se le rompe el corazón al descubrir que ella y Phoebus se han enamorado.

Frollo regresa a Notre Dame más tarde esa noche y descubre que Quasimodo ayudó a Esmeralda a escapar. Se tira un farol ante Quasimodo, diciendo que sabe lo de la Corte de los Milagros y que piensa atacar al amanecer con 1.000 hombres. Utilizando el mapa que le dio Esmeralda, Quasimodo y Febo encuentran la corte para avisar a los gitanos, sólo para que Frollo los siga y capture a todos los gitanos presentes.

Frollo se prepara para quemar a Esmeralda en la hoguera tras rechazar sus avances, pero Quasimodo la rescata y la lleva a la catedral. Febo libera a los gitanos y reúne a los ciudadanos de París contra Frollo y sus hombres, que intentan entrar en la catedral. Quasimodo y las gárgolas vierten plomo fundido en las calles para que nadie entre, pero Frollo consigue entrar. Persigue a Quasimodo y Esmeralda hasta el balcón, donde él y Quasimodo luchan y ambos caen por el borde. Frollo cae a la muerte en el plomo fundido, mientras que Phoebus atrapa a Quasimodo en un piso inferior. Después, Quasimodo acepta que Febo y Esmeralda están enamorados y les da su bendición. Los dos le animan a salir de la catedral al mundo exterior, donde los ciudadanos le aclaman como un héroe y le aceptan en la sociedad.