Madame Bovary comienza durante la infancia de Carlos Bovary. Paria en su nueva escuela, Carlos no encaja y sufre burlas. A medida que crece, nos enteramos de que es bastante aburrido y carece de talento en la profesión que ha elegido, la medicina. Carlos se convierte en un médico pobre que no logra alcanzar el respeto de sus compañeros. Su madre sigue siendo muy influyente en las decisiones de su vida; lo presiona para que se dedique a la medicina y lo convence para que se case con una viuda. Pero esta muere poco después de la boda, dejando a Carlos mucho menos dinero del que esperaba.
Poco después de la muerte de su primera esposa, Carlos se enamora de Emma, la hija de uno de sus pacientes. Después de mucho tiempo, Carlos finalmente pide a su padre la mano de Emma y se celebra una elaborada ceremonia. Ya casados, Carlos y Emma se trasladan a Tostes, donde Carlos lleva adelante su modesta práctica. Desgraciadamente, Emma se ve rápidamente desilusionada con su vida en el campo, y exhibe aspiraciones de mayor romance y lujo. Después de que Emma y Carlos asisten a un baile organizado por un noble rico, ella se obsesiona con la idea de llevar una vida más sofisticada. Pronto esa obsesión se apodera de ella y la sume en un estado de depresión. Durante este periodo de enfermedad, Emma queda embarazada, y Carlos decide trasladarse a una nueva zona con la esperanza de mejorar la salud de Emma y de conseguir un futuro más prometedor para su familia.
Carlos establece su nueva práctica en Yonville. Homais, el farmacéutico del pueblo, se considera un experto en todos los temas y disfruta mucho dando cátedra de sus saberes. Emma y Carlos también conocen a León, un abogado aburrido de la vida rural. Emma encuentra muchas similitudes entre ella y León, presagiando así su futuro romance. En Yonville, Emma da a luz a su hija, Berta. Está decepcionada por no haber tenido un hijo varón, y su tristeza persiste. Durante este tiempo surgen sentimientos románticos entre Emma y León, pero tan pronto como ella los nota, desarrolla un poderoso sentimiento de culpa. Para contrarrestar esta emoción abrumadora, se dedica a actuar como una excelente madre y esposa. Al observar los esfuerzos de Emma, León cree que su amor no será jamás correspondido, por lo que se marcha a París a estudiar Derecho. Tras su partida, Emma vuelve a caer en un estado de grave depresión.
Poco después de que León se ha ido, Emma y Carlos asisten a una feria agrícola en la que Rodolfo, un vecino adinerado, le declara su amor a Emma, con el objetivo único de seducirla. Comienzan así un apasionado romance, y Emma empieza a ser muy descuidada con su comportamiento. Sin embargo, Carlos no sospecha nada, y confía en que su mujer lo quiere mucho, mientras que en realidad ella lo desprecia por su falta de éxito y clase. En un intento de mejorar su reputación profesional, Carlos y Homais intentan realizar una operación experimental para tratar a Hipólito, un hombre con una deformidad en los pies. Emma alienta este proyecto, creyendo que conducirá a la fama de Carlos y, por tanto, a una vida más lujosa y extravagante. Pero el tratamiento resulta desastroso y, lamentablemente, deben convocar a otro médico para que ampute la pierna. Cansada de los constantes fracasos y de la mediocridad de Carlos, Emma renueva su pasión por Rodolfo, y llega hasta pedir dinero prestado con tal de comprarle regalos extravagantes. Finalmente, Emma le sugiere a Rodolfo comenzar una nueva vida juntos, pero Rodolfo solo la ve como una conquista y un entretenimiento. Por ello, en el día previsto para su cita, Rodolfo le hace llegar a Emma una carta en la que se niega a fugarse y pone fin a la relación. Con el corazón roto, luego de creer que Rodolfo la amaba de verdad, Emma cae en una terrible enfermedad, escapando a duras penas de la muerte.
En el intento por curar la misteriosa enfermedad de Emma y por pagar sus deudas, Carlos se encuentra sumido en problemas financieros. A pesar del gasto, lleva a Emma a una ópera en Ruán, una ciudad cercana, confiando en que el viaje animará su espíritu. Mientras están en Ruán, Emma y Carlos se encuentran por casualidad con León. Los antiguos sentimientos románticos entre él y Emma se reavivan rápidamente y, envalentonada tras su fallida experiencia con Rodolfo, Emma no tarda en iniciar un romance con León. Con el pretexto de tomar clases de piano, Emma viaja repetidamente a Ruán para encontrarse con León. Mientras tanto, se endeuda gravemente con el prestamista Lheureux y se vuelve cada vez más descuidada en su comportamiento adúltero, hasta el punto de estar al límite de ser descubierta muchas veces.
Pero enseguida Emma se aburre de León porque él tiene miedo de arriesgarse para demostrar su amor por ella. Emma se vuelve cada vez más exigente; mientras tanto, sus deudas se acumulan. Lheureux no tarda en ordenar el embargo de las propiedades de Emma y, aterrorizada ante la idea de que Carlos descubra sus secretos, Emma se pone frenética. Recurre a todos los que se le ocurren para que le presten dinero, incluyendo a León, a los empresarios de la ciudad e, incluso, a Rodolfo. Ante la oferta de prostituirse, Rodolfo se niega a ayudarla y Emma se siente realmente mortificada. Consciente de la inminente revelación de su comportamiento deshonesto, Emma no ve otra opción mejor que alejarse del mundo. Se suicida ingiriendo arsénico, muriendo así de manera agónica y dolorosa.
Al principio, Carlos idealiza el recuerdo de su esposa. Pero termina descubriendo sus cartas y recuerdos de Rodolfo y León, y finalmente se enfrenta a la verdad de su infidelidad. Convertido en un ermitaño antisocial, Carlos muere de un aparente ataque al corazón, solo en su jardín. Berta, ahora huérfana, es enviada a trabajar a una fábrica de algodón.
