En 1947, Humbert Humbert (Jeremy Irons), un profesor europeo de literatura inglesa de mediana edad, viaja a Estados Unidos para ocupar un puesto de profesor en New Hampshire. Alquila una habitación en la casa de la viuda Charlotte Haze (Melanie Griffith), en gran medida porque se siente atraído sexualmente por su hija Dolores (Dominique Swain), de 14 años, también llamada "Lo", a la que ve mientras recorre la casa. Obsesionado desde niño con las chicas de su edad (a las que llama "ninfas"), Humbert queda inmediatamente prendado de Lo y se casa con Charlotte sólo para estar cerca de su hija.

Charlotte encuentra el diario secreto de Humbert y descubre su preferencia por su hija. Furiosa, Charlotte huye de la casa, cuando es atropellada por un coche y muere. Su muerte libera a Humbert para que mantenga una relación romántica y sexual con Lo, a quien apoda "Lolita". Humbert y Lo viajan por el país, alojándose en varios moteles, antes de establecerse en la ciudad universitaria de Beardsley, donde Humbert acepta un trabajo de profesor y Lo comienza a asistir a la Beardsley Prep School, una escuela católica sólo para chicas. Humbert y Lo deben ocultar la naturaleza de su relación a todo el mundo, tanto a los extraños que encuentran cuando viajan como a la administración de Beardsley. Se presentan al mundo como padre e hija. Con el tiempo, el creciente aburrimiento de Lo con Humbert, combinado con su creciente deseo de independencia, alimenta una tensión constante que lleva a una pelea entre ellos. El afecto de Humbert por Lo también tiene como rival a otro hombre, el dramaturgo Clare Quilty (Frank Langella), que ha estado persiguiendo a Lo desde el comienzo de los viajes de la pareja. Al final, Lo escapa con Quilty, y la búsqueda de Humbert es infructuosa, sobre todo porque no conoce el nombre de Quilty.

Tres años después, Humbert recibe una carta de Lo pidiéndole dinero. Humbert visita a Lo, que ahora está casada y embarazada. Su marido, Richard, no sabe nada de su pasado. Humbert le pide que huya con él, pero ella se niega. Él cede y le da una importante cantidad de dinero. Lo también le revela a Humbert cómo Quilty rastreaba a las jóvenes y las llevaba a Pavor Manor, su casa en Parkington, para explotarlas con fines de pornografía infantil. Quilty la abandonó después de que ella se negara a participar en una de sus películas.

Tras su visita a Lo, Humbert sigue la pista de Quilty y lo asesina. Tras ser perseguido por la policía, Humbert es detenido y enviado a prisión. Muere en la cárcel en noviembre de 1950 debido a una trombosis coronaria, y Lo muere al mes siguiente, el día de Navidad, por complicaciones en el parto.