По приказу кардинала Бурбонского Карла в центральном зале Дворца правосудия («Большая зала») должны были представить пьесу с участием персонажей из Библии, а также древнеримских богов — мистерию. Пьеса была посвящена планировавшемуся в то время бракосочетанию «сына льва Франции», наследника французского престола дофина Карла и Маргариты Австрийской. После мистерии должно было состояться избрание главного комедианта Парижа — шутовского папы.

Кардинал и почетные фландрские гости опоздали на мистерию, так как слишком долго слушали речи лектора университета. Над лекторами, экономами и попечителями издевается ленивый школяр (студент) Жеан Фролло, младший брат одного из главных героев («А у нас в лавчонке всякой дряни по 4 штуки: 4 праздника, 4 факультета, 4 лектора, 4 эконома, 4 попечителя и 4 библиотекаря!»). Автор мистерии, Пьер Гренгуар, обещал договориться с кардиналом и представление началось в отсутствие Карла. Когда Карл, послы Фландрии (в частности, Гильом Рим и Жак Копеноль) явились, Пьер «в бессильной ярости сжал кулаки», ведь народу было уже не до гениального творения поэта. Последняя надежда довести до конца мистерию «рассеялась, как дым» когда народ с криками: «Эсмеральда на площади!» выбежал из дворца.

Состоялось избрание шутовского папы — им стал горбатый звонарь собора Парижской Богоматери Квазимодо. Пьер в отчаянии бежал из дворца. Ему негде было скоротать ночь, ведь на вырученные за мистерию деньги он рассчитывал расплатиться за жильё. Он решил разделить с народом радость и отправился к огню на площади. Там Пьер увидел танцующую девушку «такой красоты, что сам Бог предпочел бы её Деве Марии». После танца Эсмеральда стала демонстрировать необычные способности своей козочки Джалли, за что Эсмеральду критиковал стоящий в толпе священник Клод Фролло, наставник горбуна Квазимодо. Воры, нищие и бродяги чествовали своего нового горбатого короля. Увидев это, Клод срывает с Квазимодо одежду, отбирает скипетр и уводит горбуна.

Цыганка собирает деньги за свой танец и отправляется домой. Пьер следует за ней, в надежде на то, что у неё, помимо прекрасной внешности, доброе сердце, и она поможет ему с жильём. На глазах Пьера цыганку похищают Квазимодо и ещё некто, с закрытым лицом. Эсмеральду спасает блестящий офицер Феб де Шатопер. Эсмеральда влюбляется в него.

Следуя за девушкой, Гренгуар оказывается во Дворе чудес, где проживают парижские нищие. Клопен обвиняет Пьера в незаконном вторжении на территорию Двора чудес и собирается его повесить. Поэт просит принять его в их сообщество, но не выдерживает сложного испытания; нужно вытащить кошелёк у чучела с бубенчиками, да так, чтобы они не зазвенели. В последние минуты перед казнью нищие вспомнили, что по закону Пьер должен сказать, нет ли женщины, которая выйдет за него замуж. Если таковая найдётся — приговор отменяется. Стать женой поэта согласилась Эсмеральда. Он узнал её. Их «обвенчали» на 4 года. Однако девушка не даёт Гренгуару притронуться к себе. Как оказалось, Эсмеральда носила амулет, который должен был помочь ей найти родителей, но было одно весомое «но» — талисман действует только до тех пор, пока цыганка остается девственницей.

После «свадьбы» Гренгуар сопровождает Эсмеральду во время её выступлений на площади. Во время очередного танца цыганки архидиакон Фролло узнает в её новом спутнике своего ученика Гренгуара и начинает подробно расспрашивать поэта о том, как он связался с уличной плясуньей. Факт женитьбы Эсмеральды и Гренгуара возмущает священника, он берёт с философа слово, чтобы тот не прикасался к цыганке. Гренгуар сообщает Фролло, что Эсмеральда влюблена в некого Феба и грезит им дни и ночи напролёт. Эта новость вызывает у архидиакона небывалый приступ ревности, он решает во что бы то ни стало узнать, кто этот Феб, и разыскать его.

Поиски Фролло увенчиваются успехом. Движимый ревностью, он не только находит капитана Феба, но и наносит ему серьёзную рану во время его свидания с Эсмеральдой, чем ещё больше настраивает против себя цыганку.

Эсмеральду обвиняют в убийстве Феба (Клоду удается покинуть место преступления, выпрыгнув через окно в реку), заключают под стражу и подвергают пыткам, не вынеся которых девушка признаёт свою «вину». Эсмеральда приговорена к казни через повешение на Гревской площади. В ночь перед казнью в темницу к девушке приходит архидьякон. Он предлагает пленнице бежать с ним, но она в гневе отталкивает убийцу своего любимого Феба. Даже перед казнью все её мысли заняты Фебом. Судьба даровала ей шанс увидеть его в последний раз. Он стоял совершенно хладнокровный на балконе дома своей невесты Флёр-де-Лис. В последний момент её спасает Квазимодо и прячет в соборе.

Эсмеральда и тогда не перестаёт грезить капитаном королевских стрелков (рана его оказалась несмертельной), не веря в то, что он давно её забыл. Свою невиновную сестру идут вызволять все обитатели Двора чудес. Они штурмуют Собор Парижской Богоматери, который ревностно защищает Квазимодо, полагая что бродяги пришли для того, чтобы казнить цыганку. В этой схватке погибли Клопен Труйльфу и Жеан Фролло.

Когда началась осада собора, Эсмеральда спала. Внезапно в её келью приходят двое: её «муж» Пьер Гренгуар и некий человек в чёрной одежде. Объятая страхом, она всё же идёт следом за мужчинами. Они тайно выводят её из собора. Слишком поздно Эсмеральда понимает, что таинственный молчаливый спутник — не кто иной, как архидьякон Клод Фролло. На другом берегу реки Клод последний раз спрашивает, что она выбирает: быть с ним или быть повешенной. Девушка непреклонна. Тогда разгневанный священник отдаёт её под охрану затворнице Гудуле.

Затворница жестока и бесцеремонна с девушкой: ведь та цыганка. Но всё решается самым необычным образом — оказывается, что малышка Агнесса, которую похитили цыгане у Гудулы (Пакетты Шантфлери) и Эсмеральда — один и тот же человек. Гудула обещает спасти дочь, и прячет её в своей келье. Но когда за девушкой приходят стражники, среди них Феб де Шатопер. В порыве любви Эсмеральда забывает об осторожности и зовёт его. Все старания матери напрасны. Дочь забирают. Она до последнего пытается спасти её, но в итоге погибает сама.

Эсмеральду вновь приводят на площадь. Только тогда девушка осознаёт ужас неминуемой смерти. С вершины собора за этой трагической сценой наблюдали Квазимодо, и, конечно, Клод Фролло.

Понимая, что Фролло виновен в смерти цыганки, обезумевший от гнева Квазимодо скинул своего приёмного отца с вершины собора. Клод Фролло разбился насмерть. Переводя свой взгляд с площади на подножие собора, с бьющегося в предсмертных конвульсиях тела цыганки на изувеченное тело священника, Квазимодо отчаянно прокричал: «Вот всё, что я любил!» После этого горбун исчез.

В финальной сцене романа повествуется о том, как в гробнице Монфоконской виселицы были найдены два тела, одно из которых обнимало другое. Это были Квазимодо и Эсмеральда. Когда их попытались разъединить, скелет Квазимодо рассыпался в прах.