Действието се развива в Англия през 1850 г. Младият базиращ се в Лондон художник Уолтър Хартрайт по препоръка на своя приятел, италианския професор Пески, получава място като учител по рисуване в Лимерридж в Къмбърланд, в имението на Фредерик Феърли, Esq. Преди да напусне, Уолтър идва да се сбогува с майка си и сестра си, които живеят в предградията на Лондон. Връщайки се вкъщи в късна гореща вечер, той неочаквано среща непозната жена, облечена нагоре и надолу в бяло по безлюден път. Те продължават заедно пътуването. Споменаването на Хартрайт за местата, където ще отиде, предизвиква непознато вълнение. Тя говори с любов мисис Феърли, покойният собственик на Лимридж. След това с гняв и страх си спомня баронет от Хемпшир, без обаче да споменава името си. Уолтър помага на непознат да хване кебап и почти веднага след заминаването си вижда количка с двама ездачи, които питат за „жена в бяло“. Търсят я да се върне в лудницата, откъдето е избягала.
Уолтър Хартрайт пристига в Лимеридж, запознава се с жителите му. Това е Мариан Голкомб, дъщерята на покойната госпожа Феърли от първия й брак, грозна, но очарователна и енергична брюнетка, сестрата на майка й Лора Феърли, нежна и нежна блондинка, и господин Фредерик Феърли, техният чичо, ерген и страшен егоист, този, който предложи Работа на Уолтър. Уолтър разказва на Мариан за срещата си с жена в бяло, а тя, заинтригувана, намира в писмата си до майка си споменаване на момичето Анна Катерик. Госпожа Феърли се привърза към момичето заради приликата си с Лора, а малката Анна, отговаряйки на своята покровителка с пламенна любов, се закле в честта си да ходи винаги само в бяло. Ето, Уилям осъзнава странното чувство, което беше виждал повече от веднъж, когато гледаше Лора: жена в бяло изненадващо напомняше на Лора, която само беше отслабнала и стана бледа или преживя мъката. Мариан и Уолтър пазят откритието си в тайна. Междувременно, както често се случва, учителят и ученикът, Уолтър и Лора, се влюбиха. Но те не говорят за любовта си. Те са разделени от бездната на социалното и имущественото неравенство, тъй като Лора е благородна и богата, тя е наследница на Лимридж. И най-важното е, че Лора е сгодена за мъжа, който баща й е избрал - това е баронет сър Персивал Плайд, собственик на голямо имение в Хемпшир. Това съобщава на Уолтър от Мариан и при думите „Баронет“ и „Хемпшир“ той припомня непоследователната реч на жената, която веднъж е срещнал в бяло. Но тук Хартрайт я вижда отново на гробището в Лимерджър - Анна Катерик мие паметник от бял мрамор на гроба на госпожа Феърли. В разговор с Уолтър (и ден по-рано в анонимно писмо до Лора, което силно я разтревожи), Анна предупреждава Лора за брака си със сър Персивал Глиде, който й се струва въплъщение на злото. Освен това се оказва, че именно той е затворил Анна в лудница. Сбогувайки се с Лора, похитеният Уолтър се връща в Лондон и след това заминава за дълга опасна археологическа експедиция до Централна Америка.
Мариан принуждава Лора, годеница, която е пристигнала в Лимерджър, да даде обяснения за Анна, и той представя писмо до г-жа Катерик, майката на Анна, в доказателство, че тя е действала с нейно съгласие и за доброто на дъщеря си. До последната минута Мариан и Лора се надяват, че нещо ще попречи на сватбата, но чудо не се случва. Персивал Плайд и Лора Феърли се женят в църквата на Лимерджър и отиват на меден месец в Италия. Шест месеца по-късно те се връщат в Англия и се установяват в Blackwater Park, имението Glide, и там пристига Мариан Голкомб. Заедно с двойката Глиде, от Италия пристига и друга съпружеска двойка - графа и графиня Фоско. Графиня Фоско, леля на Лора, някога абсурдна и суетна, сега е отдадена на мъжа си с душа и тяло, от които тя буквално се взира, сякаш хипнотизирана, хваща всяка негова дума и непрекъснато усуква малки пачито за него. Граф Фоско е изключително дебел, неизменно учтив, много дружелюбен, постоянно обръща внимание на жена си, обича бели мишки, които носи със себе си в голяма клетка. Но в него се усеща изключителна сила на духа („ако вместо жена се ожени за тигрица, той би укротил и тигрицата“, отбелязва Мариан).
В близост до Блеквоуър парк Лора среща Анна Катерик и тя отново я предупреждава, като я съветва да не се доверява на съпруга си и да се страхува от него. А сър Пърсивал, отчаян от парите, иска да накара Лора да подпише някои документи, без да чете. Лора отказва. Съпругът я заплашва, но граф Фоско успява да смекчи ситуацията. Блясъкът и очарованието на младоженеца на сър Пърсивал отдавна са изчезнали, той е груб към жена си, подиграва се и я укорява повече от веднъж за страстта му към учител-художник (Пърсивал предположи тайната на Лора). Графът и съпругата му по всякакъв начин пречат на Мариан да се опита да се свърже с адвоката на семейството на Феърли. Те многократно прихващат писма (веднъж дори са сложили отвара на някое момиче, което е трябвало да изпрати писмо при пристигането си в Лондон). Мариан подозира заговор срещу Лора и, за да се утвърди в своите предположения, подслушва разговора между Персивал Глиде и граф Фоско. Конспирацията съществува, но Мариан не може да й устои - като подслушва нощния разговор, тя настинка и се разболява сериозно. Използвайки болестта на Мариан, тя, в съответствие с плана на граф Фоско, се прехвърля в отдалечена част на замъка, но Лора е информирана, че е напуснала, и е подмамена да я примами да посети чичо си, господин Феърли. Но в Лондон Лора под името Анна Катерик е настанена в лудница, където беше истинската Анна.В същото време въображаемата дама Глиде, която се появи там, умираше в лондонската къща на леля си. Сега между Percival Glide и богатството на съпругата му нищо не стои.
След като се възстанови, Мариан се опитва да разбере какво се е случило. Тя успява да намери и с помощта на подкуп да освободи Лора - разбита, останала без име и богатство. Уолтър се завръща от експедицията. Пристигайки да се поклони на гроба на Лора, той среща Мариан и променената, ужасно подобна на Анна Катерик Лора. Уолтър наема апартамент, в който живеят тримата, и заедно той и Мариан помагат на Лора постепенно да се възстанови. Уолтър решава да върне името си на Лора. Осъзнавайки, че сър Персивал Глиде крие Анна Катерик в лудница, защото се страхува от разкрития, Уолтър започва да открива кои от тях. Той посещава майката на Анна, г-жа Катерик. Най-категорично отказва да помогне на Хартрайт да доведе Percival Glide до чиста вода, докато несъмнено мрази Glide и ще се радва, ако Уолтър успее да уреди сметките с него. От разговори с г-жа Катрик, майката на Анна, с чиновника на църквата в Олд Уелингъм, господин Уансбъро, който има копирана книга от църковните метрики, Уолтър разбира, че бракът на родителите на Глид не е регистриран, следователно той няма права на заглавието или на земеделски стопанства. По едно време Glide получи достъп до ризницата и възможността да фалшифицира запис благодарение на г-жа Katerik, но когато съпругът й заподозря любовна връзка между тях, Glide не опроверга това предположение, страхувайки се да разкрие истинската причина за срещите си с нея. Впоследствие многократно помага на г-жа Катерик с пари. Омразата към Анна и страхът от нея бяха породени от факта, че момичето се осмели да повтори след майка си, че знае тайната на Glide. Това беше достатъчно, за да може бедното момиче да се озове в лудница, а изказванията й - каквото и да е казала - не можеха да се считат за доказателство. Усещайки опасност, Пърсивал Плайд се опитва с всички сили да попречи на Уолтър да стигне до истината, след което, не знаейки за съществуването на дубликат, решава да изгори книгата с записи, но той изгаря при църковен пожар.
Граф Фоско избягва от преследването. Случайно в театъра Уолтър вижда графа и забелязва очевидната си уплаха при вида на приятеля си професор Пески, който не разпознава графа (обаче можеше да промени външния си вид и години си свърши работата). Очевидно Валтер разбира, че граф Фоско е бил член на същото тайно общество като Санд. Страхът от графа може да се обясни с неговото отстъпничество, предателството върху интересите на братството и очакването за предстоящо отмъщение. Уолтър е принуден да прибягва до помощта на Пясъци. Оставя на професора запечатан плик с писмо, в което излага графа и моли да го накаже, ако Валтер не се върне в определения час на следващия ден. Предприемайки тези предпазни мерки, Уолтър Хартрайт идва при граф Фоско и го принуждава да напише историята за извършената от него и Glide измама. Графът с присъщото си самодоволство пише възторжено, прекарвайки почти цяла нощ на този урок, а графинята се подготвя за прибързаното си напускане, като се появява от време на време и показва на Уолтър омразата си към него.
Въз основа на разминаването в датите: преди изпращането на писмото на Фредерик Феърли е издадено смъртно свидетелство, съдържащо поканата на племенница за посещение, Уолтър успява да докаже, че Лора е жива, а вместо нея е погребана Анна Катерик. Надписът върху паметника вече е променен. Анна Катерик, жена в бяло, след смъртта намери това, което иска: тя почива до госпожа Феърли, която толкова обичаше.
Лора и Уолтър се женят. Животът им постепенно се подобрява. Уолтър работи много. Намирайки се след известно време в бизнес в Париж, той вижда трупа на граф Фоско, хванат от Сена. По тялото няма признаци на насилие, с изключение на два разреза на нож на ръката, които скриха стигмата - белегът на тайно общество с размер на малка монета (Пясъкът има същия знак на ръката си). Връщайки се в Лондон, Уолтър не намира у дома нито Лора, нито шестмесечния си син, нито Мариан. Дава му бележка от съпругата му, която го моли незабавно и без да се притеснява да дойде в Лимеридж. Развълнуваната Лора и Мариан се срещат там.След като чичото умря, семейното имение е превзето от Лора. А бебето Уолтър, младият наследник на Лимридж, който Мариан държи на ръце, вече може да се счита за един от най-щедрите земевладелци в Англия.