Na Normandia do século XIX, uma moça criada entre romances e orações casa-se com um bom homem e descobre que a vida real não se parece com o que leu. O romance acompanha, em três partes, o caminho que vai do tédio ao adultério e do adultério às dívidas e à morte.
Primeira Parte
O médico Charles Bovary, que na escola foi o "novo aluno" ridicularizado pelo boné, é chamado de madrugada ao Bertaux, fazenda do pai Rouault, para consertar uma perna quebrada. Ali conhece a filha do fazendeiro, Emma, que ainda não se chama Bovary. Viúvo da primeira mulher, Charles volta ao Bertaux com frequência, o fazendeiro percebe o rubor dele e aceita o pedido, e o casamento se faz na primavera seguinte, com banquete sob o galpão das carroças. Em Tostes, onde o casal se instala, Emma encontra no quarto o buquê de flores de laranjeira da noiva morta, que Charles, ao perceber o olhar dela sobre as flores, leva para o sótão.
O romance volta então ao passado de Emma. No convento, ela confundia religião e romance, amando a igreja pelas flores e o langor, e lia às escondidas os livros baratos que uma velha costureira lhe passava. Em Tostes, o marido a decepciona: conversa banal, nenhuma ambição. Charles trata um abscesso do Marquês de Andervilliers, e o casal é convidado para um baile no castelo de La Vaubyessard. Emma vê ali a linhagem, o champanhe, as romãs e os abacaxis, dança a valsa com o Visconde e volta tonta. Charles encontra na estrada uma cigarreira de seda verde que ela guarda no armário. Emma compra um mapa de Paris, assina revistas de moda, abandona o piano e o bordado, e cai doente de nervos. Charles, para curá-la, decide mudar-se para Yonville-l'Abbaye, e Emma, grávida, queima o próprio buquê de noiva antes de partir.
Segunda Parte
Em Yonville, os Bovary conhecem o farmacêutico Homais, que se convida para o jantar de chegada, o mercador Lheureux e o jovem escriturário Léon Dupuis, com quem Emma descobre os mesmos gostos. Nasce a filha, Berthe. Emma e Léon se aproximam nos serões da farmácia, mas Emma se faz de esposa exemplar e Léon, sem esperança, parte para Paris. Pouco depois, o proprietário Rodolphe Boulanger conhece Emma e decide seduzi-la. No dia dos comícios agrícolas, enquanto um conselheiro discursa e distribui prêmios de gado, ele lhe faz a corte e toma-lhe a mão. Seis semanas depois se declara, e Emma, que passa a cavalgar por recomendação do marido, cede na floresta.
Nos meses seguintes, os dois se encontram em segredo, trocam cartas e se veem à noite no jardim. Emma gasta com presentes comprados a crédito de Lheureux e cada vez mais exige de Rodolphe que fujam juntos. Enquanto isso, Homais convence Charles a operar o pé torto do cavalariço Hippolyte; a operação sai errada, a perna gangrena e é amputada, e Emma olha o marido com desprezo. Rodolphe aceita a fuga, marcada para 4 de setembro, e dois dias antes da data decide não partir: manda-lhe a carta de ruptura escondida numa cesta de damascos. Emma cai desacordada e passa quarenta e três dias em febre. Convalescente, quer ser santa, mas não acha satisfação. Charles a leva a Rouen para ouvir a ópera Lucia de Lammermoor, e no intervalo Charles reencontra Léon, agora escriturário em Rouen, e o traz ao camarote.
Terceira Parte
Em Rouen, Léon, já sem timidez, declara-se a Emma. Ela o encontra na catedral, e os dois percorrem a cidade num fiacre de estores descidos. De volta a Yonville, Emma arranja uma procuração para gerir os bens do casal e, sob o pretexto de lições de piano, passa a viajar a Rouen toda quinta-feira para ver Léon no hotel. As despesas crescem: cortinas, tapete, vestidos, e Lheureux a faz assinar letras que o banqueiro Vinçart desconta. Quando uma das letras chega a casa, a sogra de Emma interfere, e a relação com Léon esfria, até que Emma volta a Yonville depois de uma noite de máscaras e encontra uma intimação para pagar oito mil francos em vinte e quatro horas.
Lheureux nega qualquer prazo, o oficial Hareng faz o inventário dos bens, e um cartaz anuncia a venda dos móveis. Emma percorre Rouen atrás de dinheiro, pede socorro ao tabelião Guillaumin, que se aproveita da aflição dela, ao tesoureiro Binet, que recua, e por fim a Rodolphe, que recusa com calma. Ela volta a Yonville, pede a Justin a chave do gabinete de Homais e come o arsênico do frasco azul. Deixa uma carta a Charles, vomita, e os doutores Canivet e Larivière nada podem fazer. Depois da extrema-unção dada pelo abade Bournisien, o cego da estrada passa cantando, Emma ri com riso atroz e morre.
Charles manda enterrá-la de vestido de noiva, em três caixões, de carvalho, mogno e chumbo. Endividado, vende a prata e os móveis, acha a carta de ruptura de Rodolphe e as cartas de Léon, e morre no caramanchão segurando uma mecha de cabelo de Emma. Berthe é mandada a uma tia pobre, que a põe numa fiação. Homais, por fim, vence o cego com uma campanha no jornal, afugenta três médicos de Yonville e recebe a Legião de Honra.