民女窦娥，自幼死了母亲。窦娥的父亲窦天章，是个穷秀才，因要上京赶考，没有路费，借了寡妇蔡婆的高利贷二十两银子，谁知一年后竟变成了四十两，无法还债，就把窦娥半抵半送给蔡家做童养媳。十年后，窦娥长大后嫁作蔡家媳妇，不到两年，丈夫就死了。窦娥守寡在家，与婆婆同住。两代孀居，婆媳两人相依为命，生活十分贫苦。
楚州有个流氓叫张驴儿，与父亲张老头一起欺负蔡家婆媳，有一天，蔡婆去找赛芦医索债，赛芦医谋财害命，蔡婆被张驴儿所救。从此，张驴儿仗着自、己救了蔡婆一家人，持恩逼婚，要蔡家婆媳坐堂招婚。蔡家婆媳不肯，张驴儿便想毒死蔡婆，好霸占美貌弱小的窦娥。于是他设计陷害窦娥。
一天，蔡寡妇生病，窦娥做羊肚汤给婆婆喝。张驴儿在汤里放了毒，想先毒死蔡寡妇，然后逼窦娥成亲。谁知蔡寡妇忽然呕吐，不想喝汤，张老头夺过碗，喝完了，不一会儿就毒性发作，倒地身亡。蔡婆为了免除灾祸，给了张驴儿十两纹银，让他买棺葬父。张驴儿却以这十两纹银为证据，讹诈蔡婆害死了自己的父亲，他买通当地县令，对蔡婆横施酷刑。
窦娥怕婆婆年老体弱，经不起折磨，只得含冤忍痛自己承担，被判处死刑。在窦娥被押往刑场时，一路上满腔悲愤地咒骂着天地：「地，你不分好歹何为地？天，你错勘贤愚枉做天！」刽子手过来了，明晃的大刀高高扬起来。
这时候，窦娥向天发出三个愿望：一是若她是冤枉的，要刀过人头时，一腔血都不往下洒，要全飞到旗的白布上，不让鲜血沾到肮脏的地面上；第二，六月天要降三尺白雪，遮住她的尸体；第三，她死后，楚州要接连三年大旱，以证明她是冤死的。
刽子手的刀砍下来，窦娥的血真的全飞到白布上；接着，六月的楚州天降大雪，遮住她的尸体；第三，她死后，楚州果然三年大旱。窦娥的愿望得到实现，证明她真的是冤死的。
六年后，窦娥的父亲窦天章在京城应试高中，做了很大的官。窦天章奉旨去到楚州，探察民情。到楚州，他发现这里竟然三年间一滴雨水也未降，心想定有冤案。
当夜，他在灯下翻窦娥的案卷，忽然见灯影一闪，窦娥出现，细说冤情，求父亲主持公道。窦天章细审此案，为冤死的窦娥平反，宣布窦娥无罪，将张驴儿判死罪，楚州大守受罚。宣判刚完，大雨从天而降。
