故事发生在英格兰西南部的乡间。贵妇薇薇叶特・康斯坦丁夫人住在庄园里，生活寂寞。她的丈夫布朗特爵士脾气粗暴、冷落妻子，后来更远赴非洲打猎，一去不回，临走前还要她发誓不参加任何社交活动。

庄园的土地上有一座废弃的古塔。有一天，薇薇叶特爬上塔顶，发现一位英俊的年轻人正在用望远镜观测星空。他叫史威辛・圣克利夫，二十岁，是一位已故牧师的儿子，家境清寒，却对天文学怀抱热情，梦想成为伟大的天文学家。他把这座古塔当成自己的天文台。

薇薇叶特比他年长将近十岁，社会地位也高出许多。她被史威辛的热情与才华吸引，答应让他使用古塔，还出钱替他买了一具更好的望远镜。两人常常在夜里一起在塔顶观星，史威辛向她讲述星系、彗星与宇宙的浩瀚，让她感到人世的烦恼都变得微不足道。

史威辛的志向非常具体：他想在天文学上做出自己的发现，特别著迷于研究亮度会变化的「变星」，也密切追踪天空中出现的彗星。他常常彻夜不眠地观测、记录，对他来说，宇宙的秘密比人世的一切都更吸引人。哈代让他成为一个全心投入科学、在感情上却相当迟钝的青年，这也埋下了日后悲剧的伏笔。

小说中的地点多以多塞特郡的真实地方为原型：故事里的「华博恩」就是温伯恩镇，薇薇叶特居住的「威兰庄园」则以查伯勒庄园为原型。哈代把熟悉的乡间风景，变成了这段星空恋情的舞台。

不久，传来消息：布朗特爵士已在非洲过世。薇薇叶特和史威辛的感情越来越深，虽然两人年龄与身分悬殊，最后还是决定结婚。为了避免流言蜚语，也为了不影响史威辛的前途，他们偷偷地在城里举行了婚礼，对外则保持原来的关系。

可是，史威辛的叔叔留给他一笔可观的遗产，条件是他在二十五岁之前不能结婚，因为叔叔认为他应该专心追求科学事业。这笔钱可以让他到世界各地观测星空。史威辛不知道这个条件时，已经结了婚。

更糟的是，后来证实布朗特爵士其实比传闻中晚了几个星期才死，也就是说，在两人结婚的那一天，薇薇叶特的丈夫还活著。他们的婚姻在法律上根本无效。

这段秘密婚姻让两人陷入不断的掩饰与担忧。薇薇叶特的哥哥路易斯是一个精于算计的人，他一心想借由妹妹再婚来提升自己的社会地位，对她和那位穷青年过从甚密非常不满，处处监视、从中作梗。两人必须在众人面前装作陌生，只能在夜里偷偷到塔上相会。

薇薇叶特知道遗产的条件后，认为自己不能成为史威辛前途的阻碍。她想到两人的年龄差距，想到自己终将老去，便坚持让他放弃这段婚姻，去追求他的天文事业。她说服史威辛不要重新补办婚礼，接受遗产，前往南半球的好望角观测南方的星空。

史威辛离开后不久，薇薇叶特发现自己怀孕了。她无法联络上远方的史威辛，又害怕丑闻会毁了自己，也害怕孩子一出生就背负私生子的身分。

这时，一位曾经追求过她的主教赫姆斯戴尔再次向她求婚。在她哥哥的极力劝说下，走投无路的薇薇叶特答应嫁给了主教，让孩子以主教之子的身分出生。哈代借此讽刺了当时教会人士的虚伪与世俗。

史威辛远在南半球，专心于新的星空，对家乡发生的一切毫不知情。这个决定让薇薇叶特保住了孩子与名誉，却也让她从此背负著无法说出口的秘密。

几年后，主教去世了。史威辛结束了在南非的观测，回到英国，再度来到那座古塔。他看见薇薇叶特和一个小男孩，才知道那是自己的儿子。

这时的薇薇叶特已经不再年轻，脸上有了岁月的痕迹。史威辛第一眼看见她时，掩不住惊讶的神情。但他仍然决定履行责任，向她求婚。薇薇叶特听到这句话时，惊喜交加，情绪太过激动，竟然在他的怀中死去。

小说最后暗示，史威辛的人生还会继续：附近一位年轻活泼的女孩塔比莎，正从远处望著他们。

这个结局残酷而突然。薇薇叶特为了史威辛的前途，牺牲了名誉与爱情，换来的却是一个迟到的求婚与爱人脸上那一瞬间的惊讶。哈代没有让任何人成为真正的坏人：史威辛并非无情，只是太年轻、太专注于星空；薇薇叶特也并非软弱，只是被时代与身分困住。正是这种无可责怪的错过，让故事格外令人惆怅。

哈代在这部小说中，刻意把人类的爱情放在宇宙的尺度下来看。史威辛常对薇薇叶特说，星空是可怕的，因为它太过浩瀚，让人感到自己的渺小与孤独。两人在塔顶上的爱情，一方面因为星空而显得浪漫，另一方面也因为宇宙的冷漠而显得脆弱。

本书也颠覆了传统爱情小说的设定：主动的一方是年长、地位较高的女性，男方则是年轻、贫穷的青年。薇薇叶特一开始勇敢地追求爱情，最后却屈服于社会与宗教的压力，这正是哈代笔下常见的命运悲剧。

这部作品出版时备受批评，有评论家说它是哈代「最糟的作品」；但也有人私下写信给哈代，称赞它是他「最有原创性」的小说。今天，它被视为哈代探讨跨越年龄与阶级之爱最完整的一部作品。

哈代在书前引用了十七世纪诗人克拉肖的诗〈爱的星象〉作为题词，呼应全书以星辰映照爱情的构想。传记作家克莱儿・汤玛林则指出，这部小说是在连载的时间压力下匆促写成的，情节有时显得仓促；但书中把天文学与爱情结合的想法，在当时的英国小说中相当新颖。对今天的读者来说，它也是一扇窗，让我们看见维多利亚时代的女性，在爱情、婚姻、名誉与宗教之间如何进退两难。