小说以书信的形式讲述了一位女子在弥留之际，在她死去的孩子身旁，写下了一封凄婉的长信，向作家R诉说了她潜隐了一生的激情爱恋和情感痛苦。由于父亲早逝，女孩与母亲过着深居简出，小市民的穷酸生活。随着时光的沉逝，女孩开始厌弃她与母亲的现实生存状态。女孩十三岁时，邻家搬来了一位英俊潇洒的年轻作家。对于一个生活天地非常狭小的女孩来说，在另一个大世界里颇有名气、英俊潇洒的作家是一个奇迹，对于女孩来说作家是一个诱人的谜，于是在以后的日子里，她把一个十三岁女孩的全部精力一股脑用来窥视作家的生活。一次偶然的机会，女孩与迎面走来的作家差点撞了个满怀。无人生阅历的女孩不知道作家对他身边的女性一概投去的那具有吸引力的、既脉脉含情又让人销魂的、天生诱惑者的目光和他那惯有的对女性温柔殷勤的态度并不意味着爱慕，她以为作家的柔情只是给她一个人的，于是从那一刻起女孩的心便永远属于他了。

女孩原先在学校里学习不太认真，但自从作家来了以后，女孩的生活整个变了样。成绩由的中等一跃成为第一名；阅读上千本书，且每天读到深夜，因为她知道作家是喜欢书的；突然坚持不懈地练习钢琴，因为她认为作家是喜欢音乐的；她生怕作家会因为她那条旧学生裙打了一个补丁而瞧不起她，因此每次上楼的时候，总是用书包挡在那个补丁上。

女孩16岁时因母亲改嫁举家迁往异地。她在单相思的苦恋中度过了青春时光。当她出落成一个美丽的少女的时候，童年时对作家的崇拜和暗恋迅速发展成为炽热的爱恋。为了将来能和他在一起，成年后她独自回到维也纳，每天晚上悄悄来到作家住宅的周围徘徊，默默关注他的行踪。起初她只想看作家一眼，碰见他一次。一次的偶然机会，作家兴冲冲地横过马路来，把挑逗的目光投向她时，她却胆怯羞涩地逃开了。但是她的内心却是多么希望他能注意她、认出她、爱上她。一天晚上，作家终于注意到她了，然而从作家好奇地、饶有兴趣地注视少女的神态中，她立刻意识到作家没有认出她就是当年那个邻家女孩，这是女孩第一次遭受到没有被认出的命运。

在日复一日望眼欲穿的痴情等待中，容貌出众的少女终于引起了作家的注意。他们渡过了销魂荡魄的三夜，那浓情蜜意的缠绵和缱绻令她心醉神迷、终生不忘，但她却没有诉说对他的爱情，而是希望作家把她搂在怀里的时候，心里能激荡起某个模糊而遥远的回忆，然而作家还是没有认出她这个当年的邻家女孩。

当少女意识到作家喜欢对所有女人滥施爱情，却不愿作出任何牺牲的时候。她不想让作家觉得自己是个累赘，甚至因此而恨她，于是在贫民医院里生下孩子后，独自承担起生活的重担。因为少女无意识中的欲望就是寻求作家对自己的认可，她要让作家想起她的时候没有一丝忧虑，使自己成为他所钟情过的女人中独一无二的一个，让他永远怀着爱情和感激来思念她。

为了能让他们的孩子能在良好的环境中接受教育，长大后像作家一样跻身于上流社会，她不惜委身于一个个有钱的男人，但又拒绝倾慕者们的求婚，为的是不受婚姻的牵绊，保持自由之身，幻想将来有一天能够回到作家身边。在随后的岁月里，她和作家常常在剧院里，在音乐会上，在公园里，在大街上相遇，她的内心一次次发出深深的呼唤：“认出我吧，认出我就是你邻家的女孩！就是那个少女！”而作家投向她的目光永远是没有认出她的神情。

万般无奈之下她想起作家曾在那激情三夜之后送了几朵洁白的玫瑰花给她，于是此后每逢作家的生日，她都会派人给作家送去一束玫瑰花，只为了唤醒作家对那三夜的回忆，能继续重复她的欲望。在陌生女人与作家最后一次见面的舞会上，作家本能的、充满激情的目光使她浑身灼烫如焚，于是她扔下为她提供优越生活的军官跟着作家又一次渡过了销魂之夜。

次日清晨，女人用桌上的白玫瑰暗示作家，盼望他能想起些什么来，她的目光在呼喊：“认出我吧，最后认出我来吧！”而此刻作家心目中的她比以往任何时候部更加陌生，因为几分钟后作家小心地把几张钞票塞进她的手筒里，那一刻她的心彻底碎了，仿佛瞬间坠入了万丈深渊。

在即将离开人世之际，“陌生女人”对作家的唯一要求是在每年作家生日的时候，为自己买些玫瑰花来供在花瓶里，就像她曾经为他做的那样，只为了能继续悄悄地活在他心里，就像过去她曾经活在他身边一样，然而可悲的是，直到“陌生女人“在失去孩子的凄凉和病痛中孤独地死去，作家始终都没有认出那个与他几度邂逅甚至在黑暗中欢爱的女人就是当年的邻家女孩，只把她当作欢场中的卖笑女郎，无数风流艳遇中的一个。读完“陌生女人”的绝笔倍，作家只朦胧地感觉到了一些感情上的蛛丝马迹，却始终没能确切地回忆起她的形象。