Orlando est un jeune noble anglais. Lorsqu'il rencontre la reine Élisabeth Ire, elle décide de l'emmener à sa cour de Greenwich et, jusqu'à la mort de la reine, la vie d'Orlando est celle de son courtisan favori. Par la suite il reste à la cour de son successeur Jacques Ier.

Pendant le Grand Gel de 1608, Orlando tombe amoureux de Sasha, fille de l'ambassadeur de Russie, qui l'abandonnera. Revenu dans sa demeure natale, Orlando fait l'étrange expérience de s'endormir pendant une semaine, à la suite de quoi il décide de partir comme ambassadeur en Orient. Là, il refait la même expérience d'un sommeil d'une semaine mais cette fois il se réveille femme. Dans son incarnation féminine Orlando passe quelque temps en compagnie de Tziganes à partager leur vie nomade, en appréciant la condition des femmes dans ces tribus itinérantes, la jugeant plus libre qu'en Angleterre.

Elle n'en retournera pas moins à Londres, poussée par son amour pour la poésie. Son existence se partage alors entre la demeure natale, où elle a la possibilité de se consacrer à la poésie et de recevoir des poètes célèbres, et Londres, où elle fréquente indifféremment la bonne société et les prostituées.

Orlando trouvera par hasard l'amour auprès de l'aventurier Lord Marmaduke Bonthrop Shelmerdine. Le roman se termine en 1928, très précisément «le jeudi 11 octobre 1928», alors qu'Orlando est devenue une femme-écrivain à succès grâce au poème Le Chêne qu'elle a écrit pendant une grande partie de sa vie et qui lui a valu un prix littéraire.