Olga, Masha e Irina viven junto a su hermano Andréi en una ciudad de provincias en Rusia. Todos ellos nacieron en Moscú, pero se mudaron allí once años atrás, cuando su padre, de profesión militar, fue trasladado junto a las tropas. Cumplido un año del fallecimiento del viejo Prósorov, varios de sus hijos sueñan con volver a Moscú.
Olga, la mayor, es profesora de escuela. Masha se la pasa leyendo e intentado evadir a Kulíguin, su marido maestro al que no ama hace años. Irina, la más joven, está llena de esperanza, sueña con ir a Moscú y con trabajar para encontrarle sentido a la vida. Las tres tienen, a su vez, muchas expectativas puestas en su hermano Andréi, a quien describen como un violinista talentoso y un futuro profesor en la Universidad de Moscú.
Varios personajes visitan la casa de los Prósorov. Uno de ellos es Natasha, una muchacha local de la que Andréi está enamorado y a la que las Prósorov no estiman demasiado. El resto son en su mayoría integrantes de las tropas que se instalan por un tiempo en la ciudad. Entre estos está Túsenbach, un hombre amable y conversador que está enamorado de Irina, que comparte con ella el deseo de trabajar y acaba renunciando al ejército para ello. También las visita Solióny, quien se comporta algo groseramente. Chebutíkin, por su parte, es un médico del ejército, tiene sesenta años y conoce a la familia hace tiempo. Llega a su vez a la casa Vershinin, un mayor del ejército que conoció a las hermanas cuando eran niñas, en Moscú, y que ahora está sujeto a un matrimonio infeliz y al cuidado de sus dos hijas.
Poco después, Vershinin y Masha desarrollan un vínculo amoroso, y Andréi y Natasha se casan y tienen un bebé. La mujer se comporta ya como jefa de la casa, moviendo a las hermanas de habitación y tratando con hostilidad a la servidumbre. Mientras, Andréi se siente aplastado en su trabajo administrativo y pierde dinero apostando en clubes. Olga siente cada vez más fatiga por las horas dedicadas al trabajo, e Irina tampoco está feliz: los trabajos que hace la cansan y no le satisfacen en nada. Lo único que las anima es que esa noche se festeja el carnaval, pero cuando los invitados están pasándola bien, filosofando sobre el futuro, bailando y bebiendo, Natasha cancela la fiesta, poniendo como excusa la salud de su bebé. Luego, Solióny confiesa a Irina su amor y, ante el rechazo de la muchacha, él jura que de existir un rival, lo matará.
Un gran incendio tiene lugar en la zona cercana a la casa de los Prósorov. Chebutíkin aparece alcoholizado, lamentándose porque por su pérdida de memoria una paciente murió, y rompe accidentalmente un reloj de porcelana de la madre de las Prósorov. Luego se excusa con argumentos existenciales y se retira diciendo que Natasha tiene un amorío con el jefe de Andréi.
En la habitación de Olga e Irina, Masha protesta porque Andréi hipotecó la casa y el dinero se lo quedó Natasha. Luego, confiesa a sus hermanas que ama a Vershinin. Irina, por su parte, llora desesperada por lo insatisfecha que se siente con su vida, y Olga le recomienda a la joven que se case con Túsenbach, aunque sea feo y no lo ame.
Al final, los Prósorov despiden a las tropas militares que partirán para siempre. Olga se convirtió en la directora de la escuela local. Irina está comprometida con Túsenbach y, aunque no está enamorada de él ni irá a Moscú, recobró algo de esperanza en su vida: al día siguiente se mudarán y comenzarán juntos una vida de trabajo. Sin embargo, Irina ignora que Túsenbach fue desafiado por Solióny la noche anterior y se batirán a duelo ese día.
Masha y Vershinin se despiden con un apasionado beso. Después la muchacha queda llorando desesperada, incluso frente a la mirada de su esposo, el único feliz de que los militares abandonen la ciudad.
Finalmente Chebutíkin llega y anuncia que Túsenbach murió en el duelo. Las tres hermanas quedan solas, pensando en cómo recomponer sus vidas. Lo último que se preguntan es si algún día sabrán por qué, para qué se sufre.
