L’action se déroule dans le royaume imaginaire d’Allemonde.
ACTE I
Au cours d’une chasse, le prince Golaud, petit-fils du vieux roi Arkel, s’égare dans la forêt. Près d’une fontaine, il rencontre Mélisande, une jeune femme en pleurs qui refuse d’expliquer qui elle est. Elle s’oppose également à ce que Golaud récupère une couronne tombée à l’eau.
Au château, Geneviève, belle-fille d’Arkel, lit au roi une lettre adressée par Golaud à son demi-frère Pelléas. Le prince y annonce qu’il a épousé Mélisande, bien qu’il ne sache toujours rien d’elle. Redoutant la réaction d’Arkel, il demande à Pelléas de lui envoyer un signe si le roi accepte d’accueillir sa jeune épouse. Arkel y consent, même s’il aurait préféré voir son petit-fils épouser la princesse Ursule après la mort de sa première femme. Pelléas paraît. Marcellus, un ami mourant, l’appelle à son chevet. Mais Arkel refuse de le voir partir alors que Golaud est sur le point de revenir et que le père de Pelléas est également à l’agonie. Golaud regagne le château en compagnie de Mélisande. Lors d’une promenade, Geneviève et Mélisande retrouvent Pelléas près de la mer, au moment où passe le bateau qui avait conduit le couple princier. La mer est calme mais une tempête est annoncée. Geneviève part s’enquérir du petit Yniold, né du premier mariage de Golaud. Pelléas raccompagne Mélisande et lui annonce en chemin son possible départ le lendemain. La jeune femme s’en montre affectée.
ACTE II
Dans le parc, Pelléas emmène Mélisande voir une fontaine qui a la réputation de rendre la vue aux aveugles. Alors que midi sonne, Mélisande perd son alliance dans l’eau.
Golaud est blessé à la suite d’une chute de cheval au douzième coup de midi. À son chevet, Mélisande confie son mal-être à son mari. En lui prenant les mains pour la réconforter, celui-ci constate l’absence de la bague. La jeune femme dit l’avoir perdue dans une grotte près de la mer. Golaud lui ordonne d’aller la retrouver.
Mélisande se rend dans la grotte accompagnée de Pelléas. Ce dernier lui recommande de bien observer les lieux afin d’être en mesure de répondre aux questions de Golaud. Ils remarquent trois pauvres endormis et s’enfuient.
ACTE III
Mélisande peigne ses cheveux à la fenêtre d’une tour du château. Pelléas passe sous la fenêtre et demande à voir ses cheveux dénoués. Il lui annonce son départ le lendemain mais Mélisande le convainc de rester. Sa longue chevelure tombe jusqu’à Pelléas, qui s’en extasie. Golaud les surprend et les réprimande.
Le lendemain, Pelléas et Golaud pénètrent dans le souterrain du château, d’où s’échappe une odeur de mort. Quand ils en sortent, à midi, Golaud demande à son demi-frère d’éviter sa femme, d’autant que Mélisande est enceinte.
Le soir, devant le château, Golaud interroge son fils Yniold sur la nature de la relation entre Pelléas et Mélisande. Sa jalousie lui faisant perdre la tête, il ordonne au petit garçon d’épier la jeune femme.
ACTE IV
Pelléas demande à Mélisande de le rejoindre le soir même près de la fontaine des aveugles. Son père étant guéri, il s’apprête à partir.
Arkel confie à Mélisande la peine que lui causait l’ambiance de mort qui régnait au château, et l’espoir que lui apporte désormais cette guérison. Golaud surgit, fou de jalousie. Il malmène Mélisande au point qu’Arkel doit intervenir.
Dans le jardin, Yniold cherche à récupérer une balle d’or tombée sous un rocher. Il voit passer des moutons, que le berger empêche d’aller à l’étable.
Près de la fontaine, Pelléas attend Mélisande, déterminé à lui faire ses adieux. Quand elle paraît enfin, Pelléas lui explique qu’il doit partir parce qu’il l’aime. Mélisande lui avoue son amour en retour et les deux amants s’embrassent. Golaud les surprend. Il frappe Pelléas d’un coup mortel et se lance à la poursuite de Mélisande.
ACTE V
Au chevet de Mélisande, Golaud s’en veut d’avoir blessé sa femme. Le médecin tente de le rassurer : la blessure n’est pas mortelle. Quand Mélisande se réveille, Golaud demande à rester seul avec elle. Il veut savoir si elle a aimé Pelléas d’un amour coupable, ce que dément la jeune femme. Golaud refuse d’y croire et s’emporte. Arkel rentre dans la chambre et présente à Mélisande la petite fille qu’elle a mise au monde dans son sommeil. Tandis que Golaud tente une nouvelle fois de lui parler, la jeune femme s’éteint. Arkel recommande de prendre soin du nouveau-né : il doit vivre à la place de sa mère.