El caballero Liseo y su criado Turín se encuentran en Illescas, rumbo a Madrid. Liseo va a casarse con Finea, una de las hijas de Otavio, que heredó una buena dote. Se cruzan con Leandro, que viene de Madrid y les cuenta que Finea es una dama boba, mientras que su hermana, Nise, es ingeniosa y discreta.
En Madrid, Otavio quiere que sus hijas se casen bien, y se lamenta de la necedad de una y de que la otra sea demasiado docta. Finea intenta aprender el abecedario con un maestro, pero es en vano. Nise habla con su criada Celia sobre la locura de su hermana. Llegan tres caballeros –Duardo, Fenicio y Laurencio– que intentan cortejar a Nise, pero ella solo tiene ojos para Laurencio. Él ama a Nise, pero como necesita la dote de Finea, le pide a su pensamiento mudar de amor y se propone enamorar a Finea. Pedro, su lacayo, pretenderá a Clara.
Laurencio empieza a cortejar a Finea, quien no comprende bien sus intenciones. Liseo llega al palacio y cena con Otavio y las dos hermanas. Se espanta al notar la necedad de Finea, y cuando se queda solo con Turín, Liseo declara que renuncia a la dama boba, y que intentará conquistar a la dama discreta.
Transcurre un mes en el que Finea empezó a demostrar que es menos boba que antes. Laurencio adjudica este cambio a las enseñanzas de su amor. Nise le recrimina a su amado de haberla cambiado por su hermana, lo que Laurencio niega. Mientras discuten llega Liseo, que, al ver ofendida a su dama, reta a duelo a Laurencio. Este acepta y se marcha con Liseo hacia el convento de los Recoletos. Finea aparece tomando una lección de baile, de la que no aprende nada. Clara tiene un escrito de Laurencio para ella, en el que aquel declara su amor. Como Finea no puede leerlo, le pregunta a Otavio qué dice; también le cuenta que Laurencio la abrazó. Su padre se escandaliza y le prohíbe abrazarse de nuevo con quien no sea su marido.
Turín advierte del duelo que está por ocurrir detrás del convento. Allí, Laurencio y Liseo se enteran de que pretenden a dos hermanas distintas y deciden ayudarse. Nise increpa a Finea y le pide que se olvide de Laurencio. Finea quiere respetar los deseos de su padre y de su hermana, por eso le dice a Laurencio que abandone sus pretenciones. Laurencio se aprovecha de sus desvaríos para abrazarla, y provoca que sienta celos de Nise. Finea empieza a sentir tristeza y le pide consejo a su padre. Otavio le dice que se quitará los celos desenamorándose. Laurencio la convence de que, si jura ser su esposa frente a Duardo, Feniso y Pedro, dejará de estar enamorada. Finea accede y promete ser su mujer. Liseo, por su parte, le declara su amor a Nise, pero esta no quiere saber nada con él.
Transcurre otro tiempo, en el que Finea se convierte en una mujer discreta e ingeniosa gracias a las enseñanzas del Amor, que le ha impartido Laurencio. Otavio y Miseno se contentan al notar el cambio de Finea, y arreglan que Duardo se case con Nise. Liseo le pide a Nise que corresponda a su amor, pero al notar que esta no renuncia a Laurencio, decide volver a fijar su interés en Finea, para vengarse así de la otra.
Laurencio se lamenta de que Finea haya dejado de ser boba, porque va en contra de su plan de casarse con ella. Finea le manifiesta su amor y le dice que fingirá ser boba de nuevo para disuadir a Liseo. Este se encuentra con Finea y se espanta al ver que sigue siendo boba, por lo que intenta de nuevo ir tras la otra hermana. Nise y Celia increpan a Laurencio y a Pedro cuando encuentran al primero declarándole su amor a Finea. También Nise le recrimina a Finea que le haya robado a Laurencio, pero se sorprende cuando esta le responde como si fuera boba de nuevo.
Otavio decide echar a Laurencio de su casa. Este, antes de irse, le revela que Finea ha prometido ser su esposa frente a tres testigos. Mientras Otavio se dirige a la Justicia para resolver el asunto, Finea esconde a Laurencio y a Pedro en el desván. Cuando Otavio regresa, le ordena a su hija que no vea a ningún hombre, lo que Finea aprovecha diciendo que se ocultará en el desván, donde la aguarda Laurencio.
Liseo le pide a Otavio la mano de Nise, pero este planea casar a Nise con Duardo y a Finea con Feniso. No obstante, Nise acepta casarse con Liseo, admitiendo que se rinde ante su amor. Celia les cuenta a todos que vio a Fenisa y a Clara junto a dos hombres en el desván. Otavio va a increparlos con espada en mano, pero Laurencio le pide que acepte su casamiento con Finea, que ya prometió ser su mujer. Otavio decide aceptar las bodas de Finea y Laurencio, como de Liseo y Nise. Estos, a su vez, acuerdan el casamiento de Clara y Pedro y de Celia y Turín. Así concluye La dama boba.
