Дія відбувається в Англії в 1850 р Молодий лондонський художник Уолтер Хартрайт за рекомендацією свого друга, італійського професора Піски, отримує місце вчителя малювання в Ліммерідж в Кумберленд, в маєтку Фредеріка Ферлі, есквайра. Перед від'їздом Уолтер приходить прощатися до матері і сестри, які живуть в передмісті Лондона. Повертаючись додому пізно жарким ввечері, він несподівано зустрічає на безлюдній дорозі дивну жінку, з ніг до голови одягнену в біле. Вони продовжують шлях разом. Згадка Хартрайту про місця, куди йому належить поїхати, викликає у незнайомки несподіване хвилювання. Вона з любов'ю говорить про місіс Ферлі, покійної власниці Ліммеріджа. Потім з гнівом і страхом згадує про одного баронета з Хемпшира, не називаючи, втім, його імені. Уолтер допомагає незнайомці зловити кеб і майже відразу ж після її від'їзду бачить коляску з двома сідоками, розпитують про «жінку в білому». Вони шукають її, щоб повернути в божевільню, звідки вона втекла.
Уолтер Хартрайт приїжджає в Ліммерідж, знайомиться з його мешканцями. Це Меріан Голкомб, дочка покійної місіс Ферлі від першого шлюбу, некрасива, але чарівна й енергійна брюнетка, її сестра по матері Лора Ферлі, ніжна і лагідна блондинка, і містер Фредерік Ферлі, їх дядько, холостяк і страшний егоїст, той самий, хто запропонував Уолтеру роботу. Уолтер розповідає Меріан про свою зустріч з жінкою в білому, і та, заінтригована, знаходить в листах своїй матері згадка про дівчинку Ганні Катерік. Місіс Ферлі прив'язалася до дівчинці через подібність її з Лорою, а маленька Анна, відповідаючи своїй покровительці палкою любов'ю, заприсяглася на честь неї ходити завжди тільки в білому. Тут Вільям розуміє те дивне почуття, що не раз виникало у нього при погляді на Лору: жінка в білому дивно нагадувала Лору, тільки схудлу і зблідлу або яка пережила горе. Меріан і Уолтер зберігають своє відкриття в таємниці. Тим часом, як часто трапляється, вчитель і учениця, Уолтер і Лора, полюбили один одного. Але вони не говорять про свою любов. Їх розділяє прірва соціального і майнового нерівності, адже Лора знатна і багата, вона спадкоємиця Ліммеріджа. А найголовніше, Лора заручена з людиною, якого вибрав їй батько, - це баронет сер Персіваль Глайд, власник великого маєтку в Гемпширі. Про це Уолтеру повідомляє Меріан, і при словах «баронет» і «Хемпшир» йому згадуються нескладні мови колись була зустрінута їм жінки в білому. Але ось Хартрайт бачить її знову на ліммеріджском кладовищі - Анна Катерік миє біломармуровий пам'ятник на могилі місіс Ферлі. У розмові з Уолтером (а вдень раніше в анонімному листі до Лори, сильно її стривожив) Анна застерігає Лору від шлюбу з сером Персивалем Глайдом, який видається їй втіленням зла. До того ж виявляється, що саме він заточив Анну в божевільню. Попрощавшись з Лорою, пригнічений Уолтер повертається в Лондон, а потім їде в довгу, повну небезпек археологічну експедицію в Центральну Америку.
Меріан змушує приїхав в Ліммерідж нареченого Лори дати пояснення щодо Анни, і той представляє лист місіс Катерік, матері Анни, на доказ того, що діяв з її згоди і на благо її дочки. До останньої хвилини Меріан і Лора сподіваються на те, що весіллі що-небудь перешкодить, але дива не відбувається. Персіваль Глайд і Лора Ферлі вінчаються в церкві Ліммеріджа і їдуть у весільну подорож до Італії. Через півроку вони повертаються в Англію і поселяються в Блекуотер-Парку, маєтку Глайда, туди ж приїжджає Меріан Голкомб. Разом з подружжям Глайд з Італії прибуває ще одна подружня пара - граф і графиня Фоско. Графиня Фоско - тітка Лори, колись безглузда і пихата, зараз душею і тілом віддана чоловікові, з якого буквально не зводить очей, немов загіпнотизована, ловить кожне його слово і безперервно скручує для нього маленькі пахітоскою. Граф фосько надзвичайно товстий, незмінно ввічливий, дуже люб'язний, безперервно надає знаки уваги дружині, обожнює білих мишок, яких носить із собою у великій клітці. Але в ньому відчувається незвичайна сила духу ( «якби замість жінки он.женілся на тигриці, він приборкав би і тигра», - зауважує Меріан).
В околицях Блекуотер-Парку Лора зустрічає Анну Катерік, і та ще раз застерігає її, радячи не довіряти чоловікові і побоюватися його. А сер Персіваль, відчайдушно маючи потребу в грошах, хоче змусити Лору підписати якісь папери не читаючи. Лора відмовляється. Чоловік загрожує їй, але графу фосько вдається пом'якшити ситуацію. Женихівського лиск і чарівність сера Персиваля давно зникли, він грубий з дружиною, глузливий і не раз дорікає її в захопленні вчителем-художником (Персіваль здогадався про таємницю Лори). Граф і його дружина всіма способами перешкоджають Меріан в спробах зв'язатися з повіреним сім'ї Ферлі. Вони неодноразово перехоплюють листи (один раз навіть обпоївши якимось зіллям дівчину, яка повинна була відправити лист по приїзді в Лондон). Меріан підозрює змову проти Лори і, щоб утвердитися в своїх припущеннях, підслуховує розмову Персиваля Глайда і графа фосько. Змова дійсно існує, але Меріан не може протистояти йому - підслуховуючи нічну розмову, вона застуджується і серйозно хворіє. Скориставшись хворобою Меріан, її, відповідно до плану графа Фоско, переносять в віддалену частину замку, Лорі же повідомляють, що вона поїхала, і обманом виманюють її нібито в гості до дядька, містеру Ферлі. Але в Лондоні Лору під ім'ям Анни Катерік поміщають в божевільню, де раніше знаходилася справжня Анна, В той же час в лондонському будинку своєї тітки вмирає опинилася там проїздом уявна леді Глайд. Тепер ніщо не стоїть між Персивалем Глайдом і багатством його дружини.
Одужавши, Меріан намагається розібратися в те, що сталося. Їй вдається знайти і за допомогою підкупу звільнити Лору - зламану, що залишилася без імені і багатства. З експедиції повертається Уолтер. Прийшовши поклонитися могилі Лори, він зустрічає там Меріан і змінилася, страшно схожу на Ганну Катерік Лору. Уолтер знімає квартиру, де вони поселяються втрьох, і спільними зусиллями він і Меріан допомагають Лорі потроху прийти в себе. Уолтер вирішує повернути Лорі її ім'я. Зрозумівши, що сер Персіваль Глайд ховав Анну Катерік в божевільні, тому що боявся викриттів, Уолтер починає з'ясовувати, яких саме. Він відвідує мати Анни, місіс Катерік. Вона цілком виразно відмовляється допомогти Хартрайту вивести Персиваля Глайда на чисту воду, при цьому без сумніву, що вона ненавидить Глайда і буде рада, якщо Уолтер зуміє порахуватися з ним. З розмов з місіс Катерік, матір'ю Анни, з паламарем церкви Старого Уелмінгама, містером Уансборо, у якого виявилася скопійованій книга церковних метричних записів, Уолтер розуміє, що шлюб батьків Глайда не була зареєстрована, отже, у нього немає прав ні на титул, ні на земельні володіння. Свого часу Глайд отримав доступ до ризниці і можливість підробити запис завдяки місіс Катерік, але коли її чоловік запідозрив любовний зв'язок між ними, Глайд не спростував цього припущення, боячись виявити справжню причину своїх зустрічей з нею. Згодом він неодноразово допомагав місіс Катерік грошима. Ненависть до Ганні і страх перед нею були викликані тим, що дівчина наважилася повторити вслід за матір'ю, що їй відома таємниця Глайда. Цього було досить, щоб бідна дівчина опинилася в божевільні, а її мови - що б вона не стверджувала - не могли вважатися свідоцтвом. Відчуваючи небезпеку, Персіваль Глайд прагне всіма силами перешкодити Уолтеру дістатися до істини, потім, не підозрюючи про існування дубліката, вирішує спалити книгу записів, але при пожежі в церкві згорає сам.
Граф Фоско вислизає від переслідування. Випадково в театрі уолтер бачить графа і помічає його явний переляк при вигляді свого приятеля професора Піски, який не впізнає графа (втім, той міг змінити зовнішність, та й роки зробили своє). Очевидно, розуміє Уолтер, граф Фоско був членом того ж таємного товариства, що і Піску. Страх графа можна пояснити його відступництвом, зрадою інтересів братства і очікуванням неминучої відплати. Уолтер змушений вдатися до допомоги Піски. Він залишає професору запечатаний конверт з листом, в якому викриває графа і просить покарати його, якщо Уолтер не повернеться до призначеного часу на наступний день. Прийнявши ці запобіжні заходи, Уолтер Хартрайт приходить до графа Фоско і змушує його написати історію вчиненого ним і Глайдом шахрайства. Граф, з притаманним йому самовдоволенням, натхненно пише, витративши на це заняття майже всю ніч, а графиня готується до нагальному від'їзду, час від часу з'являючись і демонструючи Уолтеру свою ненависть до нього.
Грунтуючись на розбіжності в датах: свідоцтво про смерть видано раніше, ніж відправлено лист Фредеріка Ферлі, в якому міститься запрошення племінниці в гості, Уолтеру вдається довести, що Лора жива, а замість неї похована Анна Катерік. Напис на пам'ятнику тепер змінена. Анна Катерік, жінка в білому, після смерті знайшла те, до чого прагнула: вона спочиває поруч з місіс Ферлі, яку так любила.
Лора і Уолтер вінчаються. Життя їх потроху налагоджується. Уолтер багато працює. Опинившись через деякий час у справах в Парижі, він бачить виловлений з Сени труп графа Фоско. На тілі немає ніяких слідів насильства, якщо не брати до уваги двох ножових порізів на руці, що приховала клеймо - мітку таємного товариства розміром з невелику монету (така ж мітка є на руці у Піски). Повернувшись до Лондона, Уолтер НЕ застає вдома ні Лори з піврічним сином, ні Меріан. Йому передають записку дружини з проханням негайно і ні про що не турбуючись приїхати в Ліммерідж. Там його зустрічають схвильовані Лора і Меріан, Після смерті дядька фамільного маєтку відійшло у володіння Лори. І малюк Уолтер, молодий спадкоємець Ліммеріджа, якого тримає на руках Меріан, тепер може вважатися одним з родовитої поміщиків Англії.