“Lucíola” é um livro narrado em primeira pessoa por Paulo, que também é personagem do livro, por meio de cartas que ele manda para G. M., as quais nós temos acesso e podemos ler. O romance se passa no Rio de Janeiro do século XIX, quando Paulo tem 25 anos e acabou de chegar de Olinda.
No dia em que chega na capital, o rapaz esbarra em Lúcia, se apaixonando à primeira vista pela moça, que para ele era angelical e encantadora. Porém, quando reencontra a moça na Festa da Glória, tem uma conversa com seu amigo Sá, que apresenta a moça como sendo uma cortesã (uma prostituta) que havia sido amante dele.
Paulo fica encantado com a moça mesmo depois de descobrir que ela era uma prostituta, e descobre onde a moça mora, passando a visitar Lúcia constantemente. Paulo e Lúcia acabam dormindo juntos, o que faz com que a moça despreze o amor do rapaz, pois a relação dos dois era embasada em algo somente carnal e não em sentimento.
Porém, depois de um tempo, Lúcia decide mudar-se para uma casa mais simples e nessa parte de “Lucíola” podemos ver uma mudança nos personagens: Paulo perde a sua inocência e ingenuidade, enquanto Lúcia passa a se “purificar” de seus “vícios”.
Em meio a isso, Lúcia começa a ter um envolvimento emocional com Paulo, e decide contar para ele sua história de vida: seu verdadeiro nome era Maria da Glória e ela se prostituiu pela primeira vez quando tinha 14 anos, para poder comprar remédios para a sua família, que estava sofrendo com febre amarela. Quando seu pai descobriu o ocorrido, expulsou-a de casa, e nesse momento, Maria resolveu fingir sua própria morte e assumir o nome Lúcia (nome de uma amiga sua que havia morrido).
Depois de ter contado sua história, Lúcia começa a se aproximar cada vez mais de Paulo, rejeitando outros homens e ficando apenas com ele. Com isso, ela acaba engravidando do rapaz, porém fica muito doente, e acreditava que estava assim porque não era pura.
Vendo que sua doença estava piorando, Lúcia confessa seu amor por Paulo e pede para ele que se case com sua irmã, Ana, que havia começado a morar com os dois havia pouco tempo. O rapaz recusa e pede para a moça que aborte seu filho para que viva, porém, Lúcia rejeita o pedido de aborto e acaba morrendo grávida.
Depois disso, Paulo cria Ana como se fosse sua filha, e após seis anos, casa-se com ela. Porém, seu casamento não é feliz, pois ele permanece em luto por Lúcia, a única mulher que amou em toda a sua vida.
