Humbert Humbert (Jeremy Irons), un profesor de literatura, es trasladado a vivir a un pequeño pueblo  donde conoce a Charlotte Haze (Melanie Griffith), madre de una joven de 14 años llamada Dolores Haze "Lolita" (Dominique Swain) la cual se asemejaba a un viejo amor de la infancia de Humbert. Charlotte se enamora de él y finalmente se casan. Además, para Humbert, era la única forma de seguir estando cerca de Lolita. Luego, su madre descubre la relación entre ellos, pero muere inmediatamente después en un accidente. Debido a eso, Humbert decide ir a buscar a Lolita al campamento de verano en el cual se encontraba, pero no le cuenta que su madre había muerto. De esta forma, Humbert y Lolita realizan un viaje, donde su enamoramiento los convierte en amantes, intentando que no se descubra su verdadera relación. Humbert se da cuenta que les sigue un hombre, del cual sospecha que es policía, pero la realidad es que el hombre también está interesado en Lolita. Este hecho provoca los celos y la culpabilidad de Humbert. En el internado Lolita conoce la verdad acerca del fallecimiento de su madre, aunque primero pensó que Humbert la había asesinado.

Después de un largo viaje, Humbert y Lolita se establecen en un ciudad donde él trabaja como profesor en un colegio religioso para mujeres, donde por supuesto ella también asiste. La relación entre ambos es cada vez más tensa debido a los celos de la alumna. Humbert se debate entre la paradójica situación de ser su profesor de Historia y también su amante. Tras una fuerte discusión, tanto Lolita como Humbert deciden emprender un segundo viaje, ambos motivados por distintas razones (la de Humbert, arreglar la relación, y la de Lolita, seguir el plan propuesto por el perseguidor -el supuesto policía-). Una noche, Lolita se enferma gravemente y Humbert la deja internada en un hospital. Al día siguiente, se entera de que el perseguidor, haciéndose pasar por un tío de ella, se la ha llevado. Humbert inicia entonces una investigación a lo largo del país, pero sin resultado, lo que lo deja sumido en una enorme depresión y soledad.

Años después llega una carta de Lolita, pidiéndole ayuda económica. Humbert acude con el dinero (en la película, $4,000 dólares ), pero con la firme convicción de recuperarla. Una vez que llega a la nueva casa de Lolita, la encuentra casada y esperando un hijo. Ella le cuenta lo que pasó desde que se separaron: se escapó con Claire Quilty, un escritor vinculado al mundo del cine pornográfico, el mismo que les perseguía y a quien Humbert creía un policía. Pero ella se cansó de él y lo abandonó. Después de eso Lolita conoció y se casó con su actual marido. Humbert decide vengarse y asesina al escritor. Finalmente es arrestado y llevado a la cárcel, donde fallece años después de un aneurisma cerebral. Lolita fallece al momento de dar a luz.