故事發生在英格蘭西南部的鄉村。窮困的小販約翰・德貝菲爾德有一天從一位牧師口中得知，自家竟然是古老貴族德伯家族的後代。他得意忘形，到酒館裡喝得酩酊大醉，以為好日子就要來了。

故事開頭，村裡的女孩們穿著白衣，在五朔節的田野上跳舞。三位路過的兄弟停下來看，其中最小的一位加入了舞會，卻沒有選黛絲當舞伴；離開時，他回頭望了她一眼，心中有些後悔。那就是安吉爾。

約翰的大女兒黛絲十六歲，美麗、純真又有責任感。因為父親醉倒，黛絲只好在天亮前趕著馬車替家裡送貨，卻在途中打了瞌睡，馬車和郵車相撞，家裡唯一的老馬「王子」被撞死了。失去了謀生的工具，黛絲深感愧疚，覺得是自己害了全家。

母親聽說附近住著一戶有錢的德伯家，便要黛絲去「認親」，希望能得到幫助。其實那戶人家並不是真正的貴族後代，只是一個暴發戶花錢買下了這個姓氏。

黛絲在那裡遇見了這家的兒子亞雷克。他是一個輕浮放蕩的花花公子，一見黛絲就打起她的主意。為了家人，黛絲只好留下來替他們家養雞。

亞雷克不斷糾纏她。一天夜裡，他故意在森林中迷路，趁黛絲熟睡時侵犯了她。黛絲在屈辱中回到家，不久發現自己懷孕了。她質問母親：你為什麼不早點告訴我，男人是危險的？那些上流小姐都讀過小說，知道要提防，可是從來沒有人教過我。

她生下一個男孩，孩子卻在襁褓中病重。按照當時的教義，沒有受洗的孩子死後不能上天堂，牧師卻不肯來替私生子施洗。黛絲在深夜裡親手替孩子施洗，替他取名「悲傷」。孩子死後，她只能把他埋在教堂墓地角落，與自殺者和未受洗者葬在一起。

為了離開村人的閒言閒語，黛絲到遙遠的塔爾波塞斯牧場當擠奶女工。牧場的生活寧靜而美好，黛絲漸漸恢復了生氣，彷彿重新活了一次；清晨的薄霧、草地上的牛群和夏日的綠意，都讓她重新感到生命的美好。

在這裡，她遇見了牧師的兒子安吉爾・克萊爾。安吉爾思想開明，不願依照家人的期望當牧師，而是來牧場學習農業，打算將來經營農場。兩人在這裡重逢，安吉爾這才想起，自己曾在那場五朔節舞會上錯過了她。牧場上的三位擠奶女工都愛著安吉爾，但他愛上的是黛絲。有一個星期天，小路被大雨淹沒，安吉爾把四位擠奶女工一個個抱過積水，抱著黛絲的時候，兩人的心意已經不言而喻。

安吉爾向黛絲求婚。黛絲深愛他，卻因為過去的經歷，一再拒絕。最後她寫了一封信，把一切告訴他，從門縫塞進他的房間；這封信卻滑進了地毯底下，安吉爾始終沒有看到。

兩人結婚了。新婚之夜，安吉爾先坦承自己曾經在倫敦和一位陌生女子有過一段放縱的關係，請求黛絲原諒。黛絲毫不猶豫地原諒了他，接著也鼓起勇氣說出自己的過去。

可是安吉爾無法接受。他說，眼前的女人已經不是他所愛的那個人。他沒有發怒，卻冷漠地疏遠她，留下一筆錢，獨自遠走巴西。分手前的一個夜裡，安吉爾在夢遊中抱起黛絲，喃喃地說著「我的妻子，死了，死了」，把她放進修道院廢墟裡一具空的石棺中；黛絲靜靜地任由他擺布，第二天他卻什麼也不記得。同樣的過錯，男人可以被原諒，女人卻被拋棄，這正是哈代想控訴的雙重標準。

黛絲為了不讓丈夫的家人擔心，不肯向他們求助。錢用完後，她到貧瘠的燧石農場做粗重的農活，在寒風中挖蕪菁，又被派去操作冒著黑煙、轟隆作響的蒸汽打穀機，日以繼夜地工作。

這時，亞雷克再度出現。他聽了安吉爾父親的佈道，一度改信宗教，成為巡迴傳教士；但一見到黛絲，他又拋棄了信仰，再度糾纏她。黛絲一次次寫信給遠在巴西的安吉爾，卻始終沒有回音。她的最後一封信充滿了悲憤：你為什麼對我這麼殘忍？我不該得到這樣的對待。

不久，黛絲的父親去世，一家人被趕出了租來的房子，無家可歸。亞雷克趁機提出幫助她的家人，條件是她回到他身邊。在絕望之中，黛絲屈服了。

安吉爾在巴西大病一場，經歷了許多事，終於明白自己當初有多麼殘忍。他回到英國尋找黛絲，最後在海濱的度假小鎮找到她：她穿著華麗的衣服，和亞雷克住在一起。黛絲痛苦地告訴他：太遲了。

安吉爾離開後，絕望的黛絲和亞雷克爭吵，在激動之中刺死了他。她追上安吉爾，兩人一起逃亡，在荒野中度過了幾天短暫而幸福的時光。最後，他們來到古老的巨石陣。黛絲躺在石壇上睡著了，天亮時，警察包圍了他們。黛絲平靜地說：我準備好了。在被捕之前，她請求安吉爾，在她死後照顧並娶她純潔的妹妹麗莎露。

黛絲被判處絞刑。行刑那天，安吉爾和黛絲的妹妹麗莎露站在山坡上，看著監獄塔上升起黑旗。小說最後寫道：「正義」得到了伸張，眾神之主結束了他對黛絲的戲弄。

哈代用「一個純潔的女人」作為副標題，挑戰了維多利亞時代的道德觀：黛絲的「墮落」並不是她的錯，她是被侵犯、被拋棄、被社會唾棄的受害者，她的心始終是純潔的。

小說中充滿了命運的偶然：一句牧師的閒話、一次打瞌睡、一封滑進地毯下的信，都改變了黛絲的一生。哈代也描寫了工業化對傳統鄉村的衝擊，用蒸汽打穀機這樣的意象，表現機器如何吞噬人的生活。這部作品在第一波女性主義運動期間引發熱烈討論，至今仍是探討女性命運的重要經典。