Acte I
La servante Adèle est invitée (du moins c’est ce qu’elle croit) par sa sœur Ida à assister à un bal donné par le Prince Orlofsky. Après quelques difficultés, elle réussit à obtenir une soirée de congé en inventant une histoire émouvante à propos d’une tante à la santé fragile. Entre-temps, son employeur, le rentier Eisenstein, a récemment été condamné à une peine de prison pour avoir insulté un fonctionnaire. Mais alors qu’il devrait se présenter pour purger sa peine, son ami, le Dr. Falke, le persuade de se joindre à lui pour une nuit de festivités chez Orlofsky. Le Dr. Falke a une idée derrière la tête – Eisenstein l'a un jour humilié devant toute la ville en le laissant rentrer chez lui après un bal masqué dans la rue, ivre et déguisé en chauve-souris, et Falke souhaite se venger ; il invite donc aussi Rosalinde, l'épouse d'Eisenstein. Celle-ci est déjà en émoi après le départ d'Eisenstein « pour la prison », lorsque l’un de ses anciens admirateurs, Alfred, se présente à elle et tente de la courtiser, avant d'être arrêté par le directeur de la prison, Frank, qui le prend pour Eisenstein. Frank, satisfait, décide alors d'assister lui aussi au bal d'Orlofsky.
Acte II
Au bal, les machinations du Dr. Falke se déroulent à merveille : à son grand étonnement, Eisenstein tombe sur Adèle, qui nie avec vigueur sa véritable identité ; il se lie d'amitié avec un chevalier français qui n’est en vérité nul autre que Frank, le directeur de la prison ; et il finit par tomber amoureux de sa propre femme, masquée et déguisée en comtesse hongroise.
Acte III
La situation se dénoue peu à peu. L'action se déroule au sein de la prison, où travaille le geôlier Frosch, ivre en permanence. Un à un, les personnages réapparaissent : Frank, le directeur de la prison, qui a la gueule de bois, suivi par Adèle qui espère trouver un mécène pour encourager ses talents artistiques, accompagnée de sa soeur Ida, puis entre Eisenstein, qui s’étonne d’avoir été enfermé toute la nuit. Lorsque Rosalinde apparaît à son tour et, qu’avec Alfred, elle demande à voir un avocat, Eisenstein se déguise et prend la place de l'avocat bègue, le Dr. Blind. Cette astuce lui permet de comprendre les événements de la veille. Heureusement, il se laisse convaincre que le Dr. Falke et ses espoirs de vengeance sont à l’origine de ce chaos. L’histoire se termine ainsi, et Adèle finit même par trouver son mécène en la personne du prince Orlofsky.
