De actie vindt plaats in 1850 in Engeland. De jonge in Londen gevestigde kunstenaar Walter Hartright krijgt op aanbeveling van zijn vriend, de Italiaanse professor Peski, een baan als schilderleraar in Limmerridge in Cumberland, op het landgoed van Frederick Fairley, Esq. Voordat hij vertrekt, komt Walter afscheid nemen van zijn moeder en zus, die in de buitenwijken van Londen wonen. Op een laat hete avond thuiskomend ontmoet hij onverwacht een vreemde vrouw, gekleed in het wit op een verlaten weg. Samen vervolgen ze de reis. De vermelding van Hartwright over de plaatsen waar hij heen zal gaan, zorgt voor een vreemde onverwachte opwinding. Ze spreekt liefdevol over mevrouw Fairley, de overleden eigenaar van Limmeridge. Vervolgens herinnert hij zich met woede en angst een baronet uit Hampshire, zonder echter zijn naam te noemen. Walter helpt een vreemde een keb te vangen en vrijwel direct na haar vertrek ziet hij een kinderwagen met twee ruiters die naar een 'vrouw in het wit' vraagt. Ze zijn op zoek naar haar om terug te keren naar het gekkenhuis, van waaruit ze is ontsnapt.
Walter Hartwright komt aan in Limmeridge en maakt kennis met zijn inwoners. Dit is Marian Golcombe, de dochter van wijlen mevrouw Fairley uit haar eerste huwelijk, een lelijke, maar charmante en energieke brunette, de zus van haar moeder Laura Fairley, een zachte en zachte blondine, en meneer Frederick Fairley, hun oom, een vrijgezel en een vreselijke egoïst, degene die suggereerde Walters baan. Walter vertelt Marian over zijn ontmoeting met een vrouw in het wit, en ze vindt geïntrigeerd in haar brieven aan haar moeder een vermelding van het meisje Anna Katerik. Mevrouw Fairley raakte aan het meisje gehecht vanwege haar gelijkenis met Laura, en de kleine Anna, die haar patrones met vurige liefde beantwoordde, zwoer ter ere van haar om altijd alleen in het wit te lopen. Hier realiseert William zich het vreemde gevoel dat hij meer dan eens had gezien toen hij naar Laura keek: een vrouw in het wit deed verrassend denken aan Laura, die alleen was afgevallen en bleek was geworden of verdriet had overleefd. Marian en Walter houden hun ontdekking geheim. Ondertussen werden, zoals vaak gebeurt, de leraar en leerling, Walter en Laura, verliefd. Maar ze praten niet over hun liefde. Ze worden gescheiden door de afgrond van sociale en eigendomsongelijkheid, omdat Laura nobel en rijk is, zij is de erfgename van Limmeridge. En het belangrijkste is dat Laura verloofd is met de man die haar vader koos - dit is baronet Sir Percival Glide, de eigenaar van een groot landgoed in Hampshire. Dit wordt door Marian aan Walter gemeld en bij de woorden "Baronet" en "Hampshire" herinnert hij zich de onsamenhangende toespraak van de vrouw die hij ooit in het wit had ontmoet. Maar hier ziet Hartwright haar weer op de begraafplaats van Limmeridge - Anna Katerik wast een witmarmeren monument op het graf van mevrouw Fairley. In een gesprek met Walter (en een dag eerder in een anonieme brief aan Laura, die haar enorm had gealarmeerd), waarschuwt Anna Laura voor haar huwelijk met Sir Percival Glide, die haar de belichaming van het kwaad lijkt. Bovendien blijkt hij degene te zijn die Anna gevangen heeft gezet in een gekkenhuis. De terneergeslagen Walter neemt afscheid van Laura, keert terug naar Londen en vertrekt voor een lange, gevaarlijke archeologische expeditie naar Midden-Amerika.
Marian dwingt Laura, een verloofde die naar Limmeridge kwam, om uitleg over Anna te geven, en hij dient een brief in bij mevrouw Katerik, Anna's moeder, als bewijs dat ze met haar toestemming en ten voordele van haar dochter heeft gehandeld. Tot het laatste moment hopen Marian en Laura dat iets de bruiloft zal belemmeren, maar een wonder gebeurt niet. Percival Glide en Laura Fairley zijn getrouwd in de kerk van Limmeridge en gaan op huwelijksreis naar Italië. Zes maanden later keren ze terug naar Engeland en vestigen zich in Blackwater Park, het landgoed Glide, en ook Marian Golcombe komt daar aan. Samen met het echtpaar Glide komt een ander echtpaar uit Italië - de graaf en gravin Fosco. Gravin Fosco, tante van Laura, ooit absurd en verwaand, is nu toegewijd aan haar man met haar ziel en lichaam, van waaruit ze letterlijk haar ogen niet afneemt, alsof ze gehypnotiseerd is, vangt elk woord op en verdraait constant kleine pachito's voor hem. Graaf Fosco is extreem dik, onveranderlijk beleefd, zeer beminnelijk, schenkt voortdurend aandacht aan zijn vrouw, houdt van witte muizen, die hij in een grote kooi met zich meedraagt. Maar in hem wordt een buitengewone kracht van geest gevoeld ("als hij in plaats van een vrouw met een tijgerin zou trouwen, zou hij ook de tijgerin temmen", merkt Marian op).
In de buurt van Blackwater Park ontmoet Laura Anna Katerik en ze waarschuwt haar nogmaals en adviseert haar haar man niet te vertrouwen en hem te vrezen. En Sir Percival, wanhopig op zoek naar geld, wil Laura zover krijgen dat ze zonder te lezen wat papieren tekent. Laura weigert. De man bedreigt haar, maar graaf Fosco weet de situatie te verzachten. Bruidegom's glans en charme van Sir Percival zijn al lang verdwenen, hij is onbeleefd tegen zijn vrouw, bespot en verwijt haar meer dan eens om haar passie voor een leraar-kunstenaar (Percival raadde het geheim van Laura). De Earl en zijn vrouw voorkomen op alle mogelijke manieren dat Marian contact probeert op te nemen met de advocaat van de familie Fairley. Ze onderscheppen herhaaldelijk brieven (ooit hadden ze zelfs een drankje op een meisje gezet dat bij aankomst in Londen een brief zou sturen). Marian vermoedt een samenzwering tegen Laura en luistert, om zich in haar aannames te vestigen, het gesprek tussen Percival Glide en graaf Fosco af. De samenzwering bestaat wel, maar Marian kan het niet weerstaan - door een nachtelijk gesprek af te luisteren, wordt ze verkouden en wordt ernstig ziek. Door de ziekte van Marian te gebruiken, wordt ze, in overeenstemming met het plan van graaf Fosco, overgebracht naar een afgelegen deel van het kasteel, krijgt Laura te horen dat ze is vertrokken en worden ze misleid om haar te misleiden om haar oom, meneer Fairley, te bezoeken. Maar in Londen wordt Laura, onder de naam Anna Katerik, geplaatst in een gekkenhuis, waar de echte Anna was. Tegelijkertijd stierf de denkbeeldige dame Glide, die daar verscheen, in het huis van haar tante in Londen. Nu staat er niets meer tussen Percival Glide en de rijkdom van zijn vrouw.
Na hersteld te zijn probeert Marian uit te zoeken wat er is gebeurd. Ze slaagt erin om met behulp van omkoping Laura te vinden - gebroken, vertrokken zonder naam en rijkdom. Walter komt terug van de expeditie. Aangekomen om te buigen voor Laura's graf, ontmoet hij Marian en de veranderde, vreselijk vergelijkbaar met Anna Katerik Laura. Walter huurt een appartement waar ze alle drie wonen, en samen helpen hij en Marian Laura geleidelijk te herstellen. Walter besluit Laura haar naam terug te geven. Walter realiseert zich dat Sir Percival Glide Anna Katerik in een gekkenhuis verborg omdat hij bang was voor openbaringen, en begint erachter te komen welke. Hij bezoekt Anna's moeder, mevrouw Katerik. Ze weigert absoluut om Hartright te helpen Percival Glide naar schoon water te brengen, terwijl ze Glide ongetwijfeld haat en zal blij zijn als Walter erin slaagt om met hem af te rekenen. Uit gesprekken met mevrouw Katerik, Anna's moeder, met de klerk van de Old Wellingham-kerk, meneer Wansborough, die een gekopieerd boek met kerkgegevens had, begrijpt Walter dat het huwelijk van Glide's ouders niet geregistreerd was, daarom heeft hij geen rechten op de titel of op grondbezit. Eens kreeg Glide dankzij mevrouw Katerik toegang tot de sacristie en de mogelijkheid om een record te vervalsen, maar toen haar man een liefdesaffaire tussen hen vermoedde, weerlegde Glide deze veronderstelling niet, uit angst de ware reden voor zijn ontmoetingen met haar te onthullen. Vervolgens hielp hij mevrouw Katerik herhaaldelijk met geld. Haat tegen Anna en angst voor haar werden veroorzaakt doordat het meisje het aandurfde om na haar moeder te herhalen dat ze het geheim van Glide kende. Dit was genoeg voor het arme meisje om in een gekkenhuis te belanden, en haar toespraken - wat ze ook zei - konden niet als bewijs worden beschouwd. Percival Glide, die gevaar beseft, streeft er met alle macht naar te voorkomen dat Walter de waarheid bereikt en besluit, niet op de hoogte van het bestaan van een duplicaat, het archief te verbranden, maar hij brandt zichzelf uit bij een kerkvuur.
Graaf Fosco ontsnapt aan vervolging. Toevallig ziet Walter in het theater de graaf en merkt hij zijn duidelijke angst op bij het zien van zijn vriend professor Peski, die de graaf niet herkent (hij kon echter zijn uiterlijk veranderen en jaren deden zijn ding). Het is duidelijk dat Walter begrijpt dat graaf Fosco lid was van hetzelfde geheime genootschap als Sand. De angst voor de graaf kan worden verklaard door zijn afval, verraad aan de belangen van de broederschap en de verwachting van dreigende vergelding. Walter moet zijn toevlucht nemen tot de hulp van Sands. Hij laat de professor een verzegelde envelop achter met een brief waarin hij de graaf onthult en vraagt hem te straffen als Walter de volgende dag niet op het afgesproken uur terugkomt. Walter Hartwright neemt deze voorzorgsmaatregelen en komt naar graaf Fosco toe en dwingt hem het verhaal te schrijven van de fraude die door hem en Glide is gepleegd. De graaf, met zijn inherente zelfgenoegzaamheid, schrijft enthousiast, besteedt bijna de hele nacht aan deze les, en de gravin bereidt zich voor op haar haastige vertrek, waarbij ze af en toe verschijnt en Walter haar haat tegen hem laat zien.
Gebaseerd op de discrepantie in data: voordat de brief van Frederick Fairley werd verzonden, werd een overlijdensakte afgegeven met daarin een uitnodiging om haar nichtje te bezoeken, Walter slaagt erin te bewijzen dat Laura leeft en in plaats daarvan wordt Anna Katerik begraven. De inscriptie op het monument is nu gewijzigd. Anna Katerik, een vrouw in het wit, vond na haar dood wat ze wilde: ze rust naast mevrouw Fairley, van wie ze zo veel hield.
Laura en Walter trouwen. Hun leven wordt langzamerhand beter. Walter werkt veel. Na enige tijd voor zaken in Parijs te hebben gevonden, ziet hij het lijk van graaf Fosco gevangen uit de Seine. Er zijn geen tekenen van geweld op het lichaam, behalve twee sneden in de hand die het stigma verborgen hielden - het merkteken van een geheim genootschap ter grootte van een kleine munt (Sands heeft hetzelfde merkteken op zijn hand). Terugkerend naar Londen, vindt Walter noch Laura en haar zes maanden oude zoon noch Marian thuis. Hij krijgt een briefje van zijn vrouw die hem onmiddellijk vraagt, zonder zich zorgen te hoeven maken dat hij naar Limmeridge komt. De opgewonden Laura en Marian ontmoeten hem daar en na het overlijden van de oom wordt het familiebezit overgenomen door Laura. En baby Walter, de jonge erfgenaam van de Limmeridge, die Marian in haar armen houdt, kan nu worden beschouwd als een van de meest genereuze landeigenaren in Engeland.