Tác phẩm kể về câu chuyện tình thơ mộng nhưng bi thương của đôi trai tài, gái sắc: Đạm Thủy – Tố Tâm, qua lời dẫn truyện của nhân vật ký giả.
Nghỉ hè, tại trường Đại học, nhân vật ký giả sang phòng bạn thân là chàng tân khoa Lê Thanh Vân, giỏi văn chương, biệt hiệu là Đạm Thủy. Chàng có chiếc hộp kỉ vật đề dòng chữ “Mấy mảnh di tình”. Biết bạn có ẩn tình riêng, ký giả hỏi về chiếc hộp. Được khơi đúng tâm trạng, Đạm Thủy kể lại chuyện tình đau buồn của mình…
Một lần về quê, bị rơi mất ví dọc đường, Đạm Thủy đến trình quan huyện sở tại, được quan tiếp đãi nồng hậu. Trở lại trường, chàng được nhắn đến nhà bà Án, chị của quan, để nhận ví. Chàng kết thân với cậu Tân, con bà Án. Chính dịp này, chàng gặp và thầm yêu chị của Tân, nàng Nguyễn Thị Xuân Lan, cô gái đẹp nhất phố, nết na, hiền thục, tuy có phần kiêu kỳ. Nàng biết cả chữ Nho, chữ Tây, say mê văn chương. Vốn yêu thơ Đạm Thủy, nay biết mặt chàng, nàng thêm quyến luyến. Mỗi khi chàng đến chơi, hai người thích mạn đàm văn chương. Đạm Thủy đặt biệt hiệu cho nàng là Tố Tâm. Hai người dần cảm thấy không thể thiếu nhau. Bấy giờ, gia đình đã tính chuyện hôn nhân cho Đạm Thủy. Chàng đành viết thư kể sự thật với nàng. Nàng chủ động hẹn gặp, tỏ vẻ vui tươi, nhưng kỳ thực đau khổ. Đến nhà nàng bất chợt, Đạm Thủy càng hiểu tình yêu mãnh liệt của nàng. Từ đó, hai người ít gặp nhau, nhưng lại thường xuyên gởi cho nhau những bức thư nhớ thương, say đắm. Đôi lần, họ hẹn nhau đi chơi vùng quê, gặp nhau ở bể Đồ Sơn. Họ càng có thêm những kỷ niệm đẹp. Tình yêu thêm nồng nàn, nhưng là một mối tình trong sáng, cao thượng, không hề pha sắc dục. Lúc này, mẹ Tố Tâm ốm nặng, gia đình buộc nàng lấy chồng. Nàng nhất quyết khước từ. Đạm Thủy, vì quá yêu, nên có ý tưởng cùng nàng trốn đi, xây hạnh phúc. Nhưng nghĩ tình gia đình, chàng bỏ ý định. Tố Tâm cũng can ngăn chàng. Tố Tâm tiếp tục bị thúc ép. Phần vì quá thương mẹ, lại thêm Đạm Thủy viết thư khuyên nhủ, nàng đành chịu lấy chồng. Trước ngày cưới, nàng hẹn gặp Đạm Thủy, trao chàng kỷ vật và khóc từ biệt. Nhận lá thư vĩnh biệt củaTố Tâm, Đạm Thủy đáp từ, tặng nàng mấy cành hoa lan mừng ngày cưới. Sau lễ cưới, nhân hội chùa Đồng Quang, hai người thoáng thấy nhau, nhưng nàng quay mặt đi. Lúc này, nàng đã ốm nặng. Về, biết mình không khỏi bệnh, nàng tiếp tục viết nhật ký cho Đạm Thủy. Nàng cũng kể sự thật với chồng. Rồi nàng qua đời, chỉ sau ba mươi sáu ngày lên xe hoa.
Ngày đưa tang nàng, Đạm Thủy đau xót đến viếng, nhưng không dám xuất hiện. Hôm sau, chàng ra thăm mộ nàng, lấy áo mình đắp lên mộ. Trở lại thăm nhà bà Án, chàng được trao hộp kỷ vật, trong đó có quyển nhật ký của Tố Tâm. Đọc nhật ký, Đạm Thủy thương tiếc nàng, hối hận mà thành bệnh. Anh trai Đạm Thủy biết em suy sụp vì tình yêu nên kịp thời động viên, an ủi. Từ đó, Đạm Thủy quyết tâm học hành, lòng giữ hai điều thiêng liêng: công danh sự nghiệp và mối tình nồng nàn, cao thượng với Tố Tâm.
