故事發生在英格蘭西南部的鄉間。貴婦薇薇葉特・康斯坦丁夫人住在莊園裡，生活寂寞。她的丈夫布朗特爵士脾氣粗暴、冷落妻子，後來更遠赴非洲打獵，一去不回，臨走前還要她發誓不參加任何社交活動。

莊園的土地上有一座廢棄的古塔。有一天，薇薇葉特爬上塔頂，發現一位英俊的年輕人正在用望遠鏡觀測星空。他叫史威辛・聖克利夫，二十歲，是一位已故牧師的兒子，家境清寒，卻對天文學懷抱熱情，夢想成為偉大的天文學家。他把這座古塔當成自己的天文台。

薇薇葉特比他年長將近十歲，社會地位也高出許多。她被史威辛的熱情與才華吸引，答應讓他使用古塔，還出錢替他買了一具更好的望遠鏡。兩人常常在夜裡一起在塔頂觀星，史威辛向她講述星系、彗星與宇宙的浩瀚，讓她感到人世的煩惱都變得微不足道。

史威辛的志向非常具體：他想在天文學上做出自己的發現，特別著迷於研究亮度會變化的「變星」，也密切追蹤天空中出現的彗星。他常常徹夜不眠地觀測、記錄，對他來說，宇宙的秘密比人世的一切都更吸引人。哈代讓他成為一個全心投入科學、在感情上卻相當遲鈍的青年，這也埋下了日後悲劇的伏筆。

小說中的地點多以多塞特郡的真實地方為原型：故事裡的「華博恩」就是溫伯恩鎮，薇薇葉特居住的「威蘭莊園」則以查伯勒莊園為原型。哈代把熟悉的鄉間風景，變成了這段星空戀情的舞台。

不久，傳來消息：布朗特爵士已在非洲過世。薇薇葉特和史威辛的感情越來越深，雖然兩人年齡與身分懸殊，最後還是決定結婚。為了避免流言蜚語，也為了不影響史威辛的前途，他們偷偷地在城裡舉行了婚禮，對外則保持原來的關係。

可是，史威辛的叔叔留給他一筆可觀的遺產，條件是他在二十五歲之前不能結婚，因為叔叔認為他應該專心追求科學事業。這筆錢可以讓他到世界各地觀測星空。史威辛不知道這個條件時，已經結了婚。

更糟的是，後來證實布朗特爵士其實比傳聞中晚了幾個星期才死，也就是說，在兩人結婚的那一天，薇薇葉特的丈夫還活著。他們的婚姻在法律上根本無效。

這段秘密婚姻讓兩人陷入不斷的掩飾與擔憂。薇薇葉特的哥哥路易斯是一個精於算計的人，他一心想藉由妹妹再婚來提升自己的社會地位，對她和那位窮青年過從甚密非常不滿，處處監視、從中作梗。兩人必須在眾人面前裝作陌生，只能在夜裡偷偷到塔上相會。

薇薇葉特知道遺產的條件後，認為自己不能成為史威辛前途的阻礙。她想到兩人的年齡差距，想到自己終將老去，便堅持讓他放棄這段婚姻，去追求他的天文事業。她說服史威辛不要重新補辦婚禮，接受遺產，前往南半球的好望角觀測南方的星空。

史威辛離開後不久，薇薇葉特發現自己懷孕了。她無法聯絡上遠方的史威辛，又害怕醜聞會毀了自己，也害怕孩子一出生就背負私生子的身分。

這時，一位曾經追求過她的主教赫姆斯戴爾再次向她求婚。在她哥哥的極力勸說下，走投無路的薇薇葉特答應嫁給了主教，讓孩子以主教之子的身分出生。哈代藉此諷刺了當時教會人士的虛偽與世俗。

史威辛遠在南半球，專心於新的星空，對家鄉發生的一切毫不知情。這個決定讓薇薇葉特保住了孩子與名譽，卻也讓她從此背負著無法說出口的秘密。

幾年後，主教去世了。史威辛結束了在南非的觀測，回到英國，再度來到那座古塔。他看見薇薇葉特和一個小男孩，才知道那是自己的兒子。

這時的薇薇葉特已經不再年輕，臉上有了歲月的痕跡。史威辛第一眼看見她時，掩不住驚訝的神情。但他仍然決定履行責任，向她求婚。薇薇葉特聽到這句話時，驚喜交加，情緒太過激動，竟然在他的懷中死去。

小說最後暗示，史威辛的人生還會繼續：附近一位年輕活潑的女孩塔比莎，正從遠處望著他們。

這個結局殘酷而突然。薇薇葉特為了史威辛的前途，犧牲了名譽與愛情，換來的卻是一個遲到的求婚與愛人臉上那一瞬間的驚訝。哈代沒有讓任何人成為真正的壞人：史威辛並非無情，只是太年輕、太專注於星空；薇薇葉特也並非軟弱，只是被時代與身分困住。正是這種無可責怪的錯過，讓故事格外令人惆悵。

哈代在這部小說中，刻意把人類的愛情放在宇宙的尺度下來看。史威辛常對薇薇葉特說，星空是可怕的，因為它太過浩瀚，讓人感到自己的渺小與孤獨。兩人在塔頂上的愛情，一方面因為星空而顯得浪漫，另一方面也因為宇宙的冷漠而顯得脆弱。

本書也顛覆了傳統愛情小說的設定：主動的一方是年長、地位較高的女性，男方則是年輕、貧窮的青年。薇薇葉特一開始勇敢地追求愛情，最後卻屈服於社會與宗教的壓力，這正是哈代筆下常見的命運悲劇。

這部作品出版時備受批評，有評論家說它是哈代「最糟的作品」；但也有人私下寫信給哈代，稱讚它是他「最有原創性」的小說。今天，它被視為哈代探討跨越年齡與階級之愛最完整的一部作品。

哈代在書前引用了十七世紀詩人克拉肖的詩〈愛的星象〉作為題詞，呼應全書以星辰映照愛情的構想。傳記作家克萊兒・湯瑪林則指出，這部小說是在連載的時間壓力下匆促寫成的，情節有時顯得倉促；但書中把天文學與愛情結合的想法，在當時的英國小說中相當新穎。對今天的讀者來說，它也是一扇窗，讓我們看見維多利亞時代的女性，在愛情、婚姻、名譽與宗教之間如何進退兩難。