小说的故事发生在15世纪的巴黎，情节线索的中心地点是巴黎圣母院。
主人公加西莫多是流浪的吉卜西（赛）人的弃儿，生来就畸形：独眼、驼背、跛足。吉卜西人偷偷地拿他换走了雷姆地方一个妇女的小女儿阿涅。巴黎圣母院的副主教克罗德收养了加西莫多，在成年后让他在圣母院里当敲钟人。由于长年敲钟，他的耳朵又震聋了。加西莫多忠于职务，对副主教极为崇敬，唯命是从。
一个节日的晚上，副主教指使加西莫多去抢吉卜西少女爱斯梅哈尔达，被国王卫队撞上，队长法比救下少女。次日加西莫多被判了刑，在格雷勿方场鼓台下被鞭打示众。加西莫多痛苦万分，要求喝水。副主教看见后悄悄溜走，吉卜西少女却大胆地送水给受刑的加西莫多喝。可怜的敲钟人从此对她感激不尽。
原来吉卜西少女正是被流浪人偷走的阿涅。她年轻、美丽，能歌善舞。节日晚上被卫队长法比救下来以后就爱上了他，约定相会。这事被副主教得知，跟踪法比，藏在他们幽会的地方，并在法比和爱斯梅哈尔达互诉爱慕时，用匕首刺伤法比，自己溜走。吓昏过去的爱斯梅哈尔达被逮捕，法庭控诉她以妖术谋害国王侍卫的罪名，又用酷刑逼她认罪，从而判处她绞刑。在狱中副主教一再向爱斯梅哈尔达表示，只要她肯爱他就能免死。但少女坚定地爱着法比，副主教恼羞成怒，宣布执行绞刑。行刑的前一天，爱斯梅哈尔达跪在圣母院门前执行忏悔仪式。突然，加西莫多冲出来抱起少女跨进圣母院的门槛，高喊：“圣地!”卫队、狱卒和围观的人群都不敢行动，因为根据当时的宗教法规，凡在教堂内的人都应受到上帝保护，即使犯了死罪，也不得逮捕。加西莫多把爱斯梅哈尔达藏在最高塔楼的小房间里，拿自己的食物、被褥送给她，每夜守卫在她的房门口，对她百般爱护。不久副主教找到了这个藏身之地，夜间潜入室内，想强奸少女，被守卫的加西莫多发现未遂。
流浪人得知爱斯梅哈尔达被无理判处死刑，都非常愤怒，他们各自武装起来，一路冲向法院，一路包围巴黎圣母院。但热爱吉卜西女郎的加西莫多，因为是聋子，误以为他们是来追捕她的敌人，在教堂顶上抛下用来修理房屋的各种建筑材料，造成流浪人的大量伤亡。国王路易十一虽然不喜欢宗教势力，但又惧怕人民起来，派出军队去镇压。
副主教趁机骗走爱斯梅哈尔达，把她拖到鼓台前，逼她选择：或者上绞台，或者答应爱他。少女卑视他，宁死不屈。副主教把她拖到“老鼠洞”前，叫修女居第尔抓住她，自己跑去喊卫队。
修女居第尔其实就是少女的母亲。她在失去小女儿以后，带着留下的一只绣花小鞋跑遍各地寻找，在绝望的情况下皈依宗教，进了活棺材——“老鼠洞”，当了修女。当爱斯梅哈尔达看到那只小鞋时，她也拿出装在自己护身符里的一只同样的绣花小鞋，于是母女相会。修女砸断铁窗栏，把失去了十六年的女儿藏进“老鼠洞”，母女俩沉浸在骨肉团聚的欢乐里。这时被副主教喊来的监狱长和卫队包围了“老鼠洞”。母爱使居第尔产生了力量和智慧，她骗过了他们，使他们相信吉卜西少女已经逃走。但是当爱斯梅哈尔达听到法比的名字时，忍不住冲出窗口，暴露了自己。于是母女被带到刑场，女儿上绞架，母亲惨死在绞架下面。
最后，加西莫多看透了副主教的丑恶灵魂，把他从塔楼上推下去摔死后，找到爱斯梅哈尔达的尸体，紧紧地抱住它死去。
小说通过副主教的卑劣行为，非常有力地揭露了宗教的残酷和虚伪。是束缚人性的宗教使他的爱情变成可怕的欲望，害了别人，自己也得不到好下场。作品还以加西莫多外形的丑来对照他内心的美。吉卜西少女爱斯梅哈尔达是作者理想的化身，在她身上体现了雨果心目中最崇高的感情和最美的形象。
