元朝的时候，楚州城里有一个姓蔡的寡妇，大家叫她蔡婆婆，带着一个七八岁的男孩子，家里有一些银子放高利贷，收些利息。有一个叫窦天章的穷秀才，妻子死了，家里又很穷，带着女儿瑞云从京城来到楚州，借了蔡婆婆二十两银子的高利贷维持生活，想找个差事做，等挣了银子再还债。但他在楚州无亲无故，没有人愿意雇佣他这个穷秀才。转眼一年过去了，连本带息该还蔡婆婆四十两银子，他根本拿不出银子来。蔡婆婆又经常上门讨债，窦天章实在想不出有什么办法可以还债。蔡婆婆想到这四十两银子实在没有指望了，但窦家的女儿聪明伶俐、长得可爱，自己见了打心里喜欢，便和窦天章商量要端云做蔡家的童养媳，抵四十两银子的债，另外再送些银子资助窦秀才进京赶考。窦秀才虽然不舍得女儿，但家里穷得快吃不上饭了，自己赶考的日子也临近了，端云也真的没法安置，看着蔡婆婆是个厚道人，也能对端云很好，便狠心答应了，选了个吉日送到蔡家，托付蔡婆婆照顾这个苦命的女儿，又嘱咐了端云几句，然后接过蔡婆婆资助的银子，去京城赶考了。
这一年端云7岁，蔡婆婆的儿子8岁。没过多久，蔡婆婆带着两个孩子离开楚州搬到了临近的山阴县去住了。蔡婆婆对端云如自己的亲生女儿一般，把她改名窦娥，一家人仍然靠放债过日子。转眼十年过去了，窦娥17岁了，蔡婆婆为两个孩子办了喜事，小两口相亲相爱，日子过得很美满。但世事难料，刚过两年蔡婆婆的儿子染病死了。19岁的窦娥守了寡，与婆婆相依为命。转眼又过了三年，在山阴城里，有一个开中药铺的卢医生，医术不怎么样，生意十分清淡，因古代名医扁鹊又称卢医，人们就取笑他叫他“赛卢医”。他向蔡婆婆借了十两银子，一年后该还二十两，但他根本还不起。蔡婆婆到家里讨债的时候他便心生歹念。他揣了根绳子在怀里，出来招呼蔡婆婆，借口带她到城外钱庄取银两，把她骗到了荒郊野外，然后用绳子勒住了蔡婆婆的脖子。正在这时候，有人路过，大喊一声，赛卢医听见了落荒而逃。路过的人是父子两个，老的通情达理，儿子却是个恶棍无赖，叫张驴。蔡婆婆千恩万谢把如何放债，家里有个寡妇儿媳的事都说了。张驴一听立刻打上了窦娥的主意，他怂恿老爸娶婆婆，自己娶窦娥，有了人又有了钱财。蔡婆婆不应，张驴便捡起赛卢医扔下的绳子，要再勒死她，蔡婆婆没有办法只好带他们回家。一路上张驴的花言巧语竟说得蔡婆婆有几分愿意了。
进来家门蔡婆婆也不说话，只放声大哭，窦娥问缘故，好一会婆婆才把路上的情形说了，最后说她自己答应招张老儿做丈夫，把窦娥嫁给张驴。窦娥埋怨婆婆糊涂，说什么也不同意。糊涂的婆婆竟留下了张家父子等窦娥回心转意，窦娥见婆婆做得荒唐便说什么也不出房间，张驴见不到窦娥，又心生一计，他想用药毒死蔡婆婆，以便摆布窦娥。他找到了赛卢医的铺子，以看到赛卢医勒死蔡婆婆为借口，要挟赛卢医配了一副毒药。回到家中正赶上蔡婆婆病了，想喝羊肚汤，孝顺的窦娥不得不到厨房为她亲自做，张驴借口太淡，让窦娥去取盐，趁机把毒药放到了汤里，然后又偷着溜到外面等着看热闹。过了一会，他听见外面有人哭，仔细一听却是蔡婆婆，忙跑进去看，却是他亲爹张老儿躺在地上，七窍流血而死。原来蔡婆婆正要喝汤，忽然感到恶心，呕吐了一阵，就不想喝了，正好张老儿在旁边照料就让他喝了，没想到就一会，张老儿便死了。蔡婆婆吓得大哭，张驴阴差阳错地毒死了亲爹，反而耍起无赖来，他诬陷窦娥投毒害命借此要挟窦娥委身自己，否则就要告到官府。窦娥一点也不害怕，一心要到官府辩个清白。她哪知道官府的黑暗，当时山阴县隶属楚州，楚州的知县是个贪赃枉法的昏官，断案的原则是谁送的银子多谁有理。糊涂的婆婆和窦娥根本不知道这些，而张驴却先到衙门走通了门路，答应送县官老爷百两银子，他盘算着赢了官司蔡家的财产都是他的，这样也合算。这样张驴告到楚州，一口咬定蔡婆婆是他后娘，窦娥故意毒死了公爹，窦娥争辩着把过程细说了一遍，却没人理会，知州叫手下对窦娥动了大刑，一心逼她招供，窦娥死也不肯屈招。知州心生毒计，要对蔡婆婆用大刑，窦娥不忍心看婆婆惨死，只好屈招，被处以死刑。
被送上法场那一天，是六月的一个晴天，窦娥披枷带锁，被游街示众。窦娥满腔悲愤，对着苍天大声哭诉：地呀，你好歹不分算什么地？天呀，你颠倒是非白做了天！蔡婆婆拦着窦娥大哭，孝顺的窦娥冷静地劝慰婆婆，然后大义凛然地走上法场，问斩之前许下三愿：要丈二白绸挂在八尺旗杆上，自己一腔热血要飞上白绸，不落半点在地上；窦娥含冤，死后要天降三尺大雪掩埋尸身；死后要让楚州地方大旱三年。窦娥被行刑之后果真桩桩应验了，楚州老百姓都知道了窦娥的冤屈，昏官知州却升任调走了。窦娥含冤而死，楚州大旱的第三个年头，朝廷新派了两淮提刑肃政廉访史，检查两淮地区的官吏善恶、刑狱冤案。而这个人就是窦娥的父亲——当年的穷秀才窦天章。窦天章那年进京赶考得中，做了官，派人来找女儿端云，不想蔡婆婆搬了家，打听不到任何消息，从此和女儿失散了。
楚州正属两淮地区，他首先来到了楚州，皇上赐了尚方宝剑允许他先斩后奏。他来到楚州的当晚，就调来刑狱案卷查阅，第一卷就是：“窦娥毒死公爹”一案。窦娥的冤魂现身，对父亲哭诉了冤情的始末，窦天章大怒，第二天立即询问楚州知州，知州也知道窦娥冤枉，只是上一任知州已升为他的上司，他不敢上奏朝廷为窦娥伸冤。窦天章立刻派人去山阳县，把一干案犯全部押来听审。窦娥冤死后，张驴霸占了蔡家的家财，蔡婆婆被赶出了家门，成了乞丐。赛卢医先有害命一事，后被逼为张驴配了毒药，心知要出人命，关了铺子跑了。后来知道张驴打赢了官司，又溜回到山阴县继续开药铺。这一天三人都被带到楚州。张驴依然抵赖，诬陷窦娥为凶手，窦娥的冤魂出现在他面前，吓得他连连磕头喊饶命。赛卢医知道事情败露，也老实地交代了谋害蔡婆婆、被张驴讹诈配毒药的经过。张驴服罪，画了押。过了几天，又把昏官知州从外地押来，一起宣判：赛卢医充军五千里之外；张驴剐死；昏官重打一百杖，当下执行，死于衙役们的重杖之下。直到此时，窦娥的冤屈才得以平反，楚州的老百姓也舒了一口气。