小说的故事发生在15世纪的巴黎，情节线索的中心地点是巴黎圣母院。主人公加西莫多是流浪的吉卜西（赛）人的弃儿，生来就畸形：独眼、驼背、跛足。吉卜西人偷偷地拿他换走了雷姆地方一个妇女的小女儿阿涅。巴黎圣母院的副主教克罗德收养了加西莫多，在成年后让他在圣母院里当敲钟人。由于长年敲钟，他的耳朵又震聋了。卡西莫多忠于职务，对副主教极为崇敬，唯命是从。
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一个节日的晚上，副主教指使卡西莫多去抢吉卜西少女爱斯梅哈尔达，被国王卫队撞上，队长法比救下少女。次日卡西莫多被判了刑，在格雷勿方场鼓台下被鞭打示众。加西莫多痛苦万分，要求喝水。副主教看见后悄悄溜走，吉卜西少女却大胆地送水给受刑的加西莫多喝。可怜的敲钟人从此对她感激不尽。原来吉卜西少女正是被流浪人偷走的阿涅。她年轻、美丽，能歌善舞。节日晚上被卫队长法比救下来以后就爱上了他，约定相会。这事被副主教得知，跟踪法比，藏在他们幽会的地方，并在法比和爱斯梅哈尔达互诉爱慕时，用匕首刺伤法比，自己溜走。吓昏过去的爱斯梅哈尔达被逮捕，法庭控诉她以妖术谋害国王侍卫的罪名，又用酷刑逼她认罪，从而判处她绞刑。在狱中副主教一再向爱斯梅哈尔达表示，只要她肯爱他就能免死。但少女坚定地爱着法比，副主教恼羞成怒，宣布执行绞刑。行刑的前一天，爱斯梅哈尔达跪在圣母院门前执行忏悔仪式。突然，加西莫多冲出来抱起少女跨进圣母院的门槛，高喊：“圣地!”卫队、狱卒和围观的人群都不敢行动，因为根据当时的宗教法规，凡在教堂内的人都应受到上帝保护，即使犯了死罪，也不得逮捕。加西莫多把爱斯梅哈尔达藏在最高塔楼的小房间里，拿自己的食物、被褥送给她，每夜守卫在她的房门口，对她百般爱护。不久副主教找到了这个藏身之地，夜间潜入室内，想强奸少女，被守卫的加西莫多发现未遂。流浪人得知爱斯梅哈尔达被无理判处死刑，都非常愤怒，他们各自武装起来，一路冲向法院，一路包围巴黎圣母院。但热爱吉卜西女郎的卡西莫多，因为是聋子，误以为他们是来追捕她的敌人，在教堂顶上抛下用来修理房屋的各种建筑材料，造成流浪人的大量伤亡。国王路易十一虽然不喜欢宗教势力，但又惧怕人民起来，派出军队去镇压。副主教趁机骗走爱斯梅哈尔达，把她拖到鼓台前，逼她选择：或者上绞台，或者答应爱他。少女卑视他，宁死不屈。副主教把她拖到“老鼠洞”前，叫修女居第尔抓住她，自己跑去喊卫
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队。修女居第尔其实就是少女的母亲。她在失去小女儿以后，带着留下的一只绣花小鞋跑遍各地寻找，在绝望的情况下皈依宗教，进了活棺材——“老鼠洞”，当了修女。
当爱斯梅哈尔达看到那只小鞋时，她也拿出装在自己护身符里的一只同样的绣花小鞋，于是母女相会。修女砸断铁窗栏，把失去了十六年的女儿藏进“老鼠洞”，母女俩沉浸在骨肉团聚的欢乐里。这时被副主教喊来的监狱长和卫队包围了“老鼠洞”。母爱使居第尔产生了力量和智慧，她骗过了他们，使他们相信吉卜西少女已经逃走。但是当爱斯梅哈尔达听到法比的名字时，忍不住冲出窗口，暴露了自己。于是母女被带到刑场，女儿上绞架，母亲惨死在绞架下面。最后，卡西莫多看透了副主教的丑恶灵魂，把他从塔楼上推下去摔死后，找到爱斯梅哈尔达的尸体，紧紧地抱住它死去。小说通过副主教的卑劣行为，非常有力地揭露了宗教的残酷和虚伪。是束缚人性的宗教使他的爱情变成可怕的欲望，害了别人，自己也得不到好下场。作品还以加西莫多外形的丑来对照他内心的美。吉卜西少女爱斯梅哈尔达是作者理想的化身，在她身上体现了雨果心目中最崇高的感情和最美的形象。
书籍目录
雨果原序：一八三二年勘定本作者附告
第一卷
大厅
彼埃尔·格尔古瓦
红衣主教
雅克·科柏诺
卡西莫多
爱斯梅拉达
第二卷
从夏里德到席拉
河滩广场
以德报怨
夜里盯梢美女的诸多麻烦
还有麻烦
摔罐成亲
新婚之夜
第三卷
圣母院
巴黎鸟瞰
第四卷
善心的人们
克洛德·弗罗洛
不得民心
狗的主人
克洛德·弗罗洛（续）
不受欢迎
第五卷
圣马丁修道院主持
这个将要扼杀那个
第六卷
对于古代司法的公正一瞥
老鼠洞
玉米饼的故事
一滴水，一滴泪
玉米饼的故事（续完）
第七卷