“洛丽塔，我的生命之光，我欲念之火，我的罪恶，我的灵魂。洛－丽－塔：舌尖向上，分三步，从上颚往下轻轻落在牙齿上。洛。丽。塔。”
这段肉麻的情话是中年教授亨伯特的内心自白。1947年，亨伯特来到美国，任教于比利亚斯大学。他准备利用暑假的空闲时间写成一部教科书，于是他来到兰之蒂镇的寡妇夏洛特·黑兹太太家寄居，在那里他遇上了让他一生魂牵梦萦的女孩：洛丽塔。亨伯特从餐厅里出来的时候看到了她，在太阳沐浴的一块草垫上，半裸着，跪着，以膝盖为轴转过身，蜂蜜样的肩膀和绸子一样柔嫩的脊背让人目眩神迷。
那位令人神魂颠倒的小妖精迷住了他。她在他的身旁晃来晃去，令他无法专心写作，而她的母亲也对他一见钟情。黑兹太太似乎已经意识到了女儿对她亨伯特太太这个位置的威胁，在他们去滴漏湖度假的时候，黑兹太太还是以商量的口吻下达了命令：让洛丽塔去夏令营。然后她给亨伯特写了一封情书，向他求婚。虽然他爱的是黑兹太太的女儿，但他还是和黑兹太太结了婚。和黑兹太太结婚之后，洛丽塔成了他没有血缘关系的女儿。但他在日记里写下的那些对洛丽塔的情感剖白还是纸藏不住火，被他的现任太太发现之后引发了一场家庭内部的剧烈争吵。夏洛特一怒之下冲出家去，却在离家不远的地方撞上汽车一命呜呼。
亨伯特和洛丽塔终于走到了一起。他开车去夏令营，将洛丽塔母亲去世这个“不幸”的消息告诉她。他是兴高采烈地去的，尽管他感到一点内疚。他把洛丽塔接走，先骗她说她的母亲病了，住进了医院。在路上，他们住进了一家旅馆，在大堂，洛丽塔遇上了一个秃顶像脏猪一样的老头儿，还有他的狗。晚上，当亨伯特将洛丽塔送上床，给她吃了安眠药，自己出去走到旅馆门外白色的台阶上，这时，那个秃顶的老头儿再次向他说了一些模棱两可的话，但亨伯特并没有放在心上。他们在第二天早上完成了不伦之恋，而且他知道了，他甚至不是她的第一个情人。然后他们驱车往家赶。亨伯特越来越感到不安，觉得坐在旁边的洛丽塔像个索命的小冤魂。她要求在一个加油站停一停，她下了车，很长时间没有回来，当她重新上车时，要求亨伯特给她零钱，她要往医院给妈妈打电话。亨伯特让她先上车，然后向她吐露了实情，“你妈妈死了。”
从那时起，他们开始了遍游美国的旅行。在各种类型的住宿地中，他很快就喜欢上了“实用汽车旅馆”———干净、整洁、安全隐蔽，是睡觉、吵架、和好、贪婪而违法私通的理想场所。虽然是旅行，但实际上他们一无所览，他们这漫长的旅行只不过是用一条迂回蜿蜒的粘土路来亵渎这个迷人、诚信、梦幻般的国度。最后，这段旅行走到了尽头，亨伯特决定把他的“宝贝女儿”送到比尔兹利女子学校就读。
一切似乎都很让亨伯特满意。但有一点是致命的，亨伯特无法容忍洛丽塔和其他男性在一起。当洛丽塔要求出演学校的话剧《幽暗的丽人》时，他断然拒绝。但在洛丽塔用美色相诱之后，他还是妥协了，虽然他心里很不痛快。亨伯特觉得她正在从他的掌握中逃脱出去，他只能用她每星期的零用钱来买她的欢心，但她对他越来越冷淡，彼此之间并无真正的快乐可言，亨伯特沉溺于性爱游戏，洛丽塔逐渐厌倦了这种不道德的生活。他们开始不停地争吵。洛丽塔把从亨伯特这里要来的钱攒了起来，亨伯特觉察到了，预感到这是一个阴谋，一个让他永远也见不到洛丽塔的阴谋，这让他火冒三丈。一次，争吵之后，洛丽塔夺路而逃，在大雨中跑了出去。找到洛丽塔后，他们决定到外去散散心，西行去各地转转，这也许对于改善他们现在这种冷战的状况有好处。
在路上，亨伯特发现背后有人跟踪，一辆“阿兹特克红色敞篷车”老是在他们屁股后面跟着，它们之间的间距似乎雷打不动。当亨伯特在一个小镇下车买眼镜的时候，他在商店里看到这辆车的车主下车和洛丽塔攀谈。但当他赶过去时，这个黑衣人已踪迹不见，他问洛丽塔：“那人说什么？”洛丽塔说：“他问我要张地图，肯定是迷路了。”亨伯特觉得不妙，立即掉转车头，往回开。
洛丽塔生病了，住进了医院，医生诊断不过是流行性感冒，没什么大碍，但要住院观察一天，补充水分，好好睡一觉。第二天，当亨伯特打电话给医院时，医院医护人员告诉他，有个人把她给接走了，自称是她的叔叔，还带着一条狗，看上去很和善。亨伯特大吃一惊，他马上想到这些天来一直跟踪他们的人，他觉得自己实在是太大意了。他赶到医院，和医护人员大吵了一架，但于事无补。他踏破铁鞋，一直找，找了几个月，依旧不死心。
3年后的一天，他收到了洛丽塔从远方发来的一封信，信上说她已结婚怀孕，急需用钱：“请给我们寄张支票来吧，爸爸。有三四百，或再少些我们就能对付得过去。”他读信时拼命抗拒着它在他身心中引起的剧痛，他踏上了那条路，独自一人按照信上写的地址驱车前去。他以一个父亲的身份来到女儿的新家，慰问他们，给他们钱，然后洛丽塔告诉了他真相，那个将洛丽塔从他身边拐走的人正是那个秃顶像脏猪一样的老头儿，他的名字叫奎迪，是个编剧，有时还做点广告。他是洛丽塔唯一真正爱过的男人。他把她骗走，为他拍一些色情照，洛丽塔不肯，于是她就给赶了出来。
虽然亨伯特仍然试图挽回这段感情，但此时的洛丽塔已不是当初的那个妖艳的小仙女了，亨伯特从他的口袋里拔出了自动手枪，准备将一腔仇恨都发泄到那个拆散了他们的人身上。他找到了这个让他憎恨一辈子的男人，把子弹射进他的身体，就像这是一只该死的老鼠。他没有一丝怜悯，没有一点犹豫，他只知道，他要干掉这个男人，为自己也为这段要命的恋情复仇。
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