第1幕　ウィーンの富裕な銀行家アイゼンシュタイン邸・居間
　テノール歌手アルフレートが庭で恋の歌を歌うのが聞こえる。アイゼンシュタイン家の小間使いアデーレが登場。彼女は妹イーダからの手紙で華やかな舞踏会に誘われている。アイゼンシュタインの妻ロザリンデが来たので、アデーレは三文芝居で暇を乞うが、却下される。ロザリンデはかつての恋人アルフレートの歌声に気づき、心震わせるが、当人がいきなりずかずかと部屋の中に入ってきてしまうので、何とか彼を追い出そうと、またあとで来てもいいと約束してしまう。そこへ当主アイゼンシュタインが帰宅。連れ立って来た弁護士のブリントと口論を始める。アイゼンシュタインは役人を侮辱した咎で、刑務所に今日から5日間入らねばならなかったところ、下手な弁護のせいで8日間に延びたというのだ。お互いに口汚く罵りあい、けんか別れをしてブリントは出ていく。入れ替わりに現れたのは、アイゼンシュタインの友人ファルケ。刑務所へは明朝もぐり込めばいいと、夫人には内緒で気晴らしの晩餐会へとアイゼンシュタインを誘う。刑務所に入るのにどこか浮足立っている夫を不審に思いながらも、ロザリンデは別れの悲しみを歌う。とは言いつつも、アデーレに暇を出し、先ほどのアルフレートを部屋に入れる。二人で水入らずを楽しもうとした矢先に入ってきたのは、刑務所長のフランク。アイゼンシュタインを迎えに来たのだ。不倫の現場を見られたロザリンデは慌ててアルフレートに、夫と偽るよう頼み込む。キスの代わりに刑務所行きを承諾するアルフレート。今夜の晩餐会に呼ばれているというフランクは、二人のやり取りに苛々しながら、アイゼンシュタインと思い込んでアルフレートを連行していく。

第2幕　オルロフスキー公の館・広間
　華やかな晩餐会に沸き立つ客たち。邸の主人オルロフスキーは若いながらも、すでに巨万の富に飽いている。そこでファルケは彼の一興を得るために今夜は一芝居打つという。題して「こうもりの復讐」。まず会場に現れたのは、ロザリンデの服を着てめかしこんだ小間使いアデーレとその妹イーダ。さらにそこへフランスの侯爵という触れ込みでアイゼンシュタインが登場。オルロフスキー公が今宵は心から笑いたいと、宴を盛り上げるなか、ファルケは別人に扮したアデーレをアイゼンシュタインに紹介する。我が家の小間使いではないかと問い詰めるアイゼンシュタインに、アデーレは巧みな演技力でひどい間違いだと、逆に皆で笑いものにする。次に登場したのは、これもフランスの貴族に扮した刑務所長フランク。互いにフランス人としてアイゼンシュタインと慣れないフランス語でぎこちない挨拶を交わす。そこへ真打として華々しく現れたのは、ハンガリーの伯爵夫人に化けたロザリンデ。ファルケは彼女に夫が晩餐会に来ていることをこっそりばらしていたのだ。そんなこととは露知らず、アイゼンシュタインはさっそく小道具の時計をちらつかせてこのハンガリーの貴婦人を口説き始める。ところが逆にロザリンデの巧みな手管で時計を巻き上げられてしまう。ロザリンデは不貞の証拠を見事に押さえたのだ。客たちはロザリンデの顔を拝もうと、マスクを外すよう頼むが、そこでロザリンデは故国ハンガリーの素晴らしいチャルダッシュを披露して難を逃れる。話題は今夜の芝居「こうもり」へと移り、そこで実は3年前のとある仮想舞踏会の折、アイゼンシュタインがファルケをこうもりの扮装姿のまま森に置き去りにした悪戯があったということが明かされる。以来、ファルケは「こうもり博士」とあだ名をつけられた。今回の手の込んだ芝居は、他ならぬそのファルケによるアイゼンシュタインへの復讐だったのだ。しかし当人はまだそのことに気づいていない。オルロフスキー公がシャンパンを讃える歌を歌って、宴は最高潮に盛り上がり、やがて時計が六時を告げると、客たちは三々五々帰っていく。もちろんアイゼンシュタインは刑務所へ向かうのだった。

第3幕　刑務所内
　ろれつが回らぬほど酔っぱらった看守フロッシュが、所長フランクの帰りを待ちわびている。そこへ泥酔状態のフランクが戻ってくる。酔っ払った二人がぐだぐだなやり取りを繰り広げているところへ、アデーレとイーダの姉妹が来訪。アデーレは所長フランクがフランス貴族だと勘違いしたままなので、自分を女優として売り込みにきたのである。何にでもなれると、得意の演技力を披露するアデーレ。次に来訪を告げたのは、アイゼンシュタイン。彼をフランス貴族と思い込んだままの所長フランクはびっくりして、とりあえずアデーレたちを奥の牢座敷へ放り込む。刑務所にやってきたアイゼンシュタインはそこにフランス貴族のフランクがいるのを見てびっくり。お互いに身分を明かすが、お互いに冗談だと思って取り合わない。アイゼンシュタインが、自分は本日牢屋に入ることになっていると言うと、アイゼンシュタイン氏はすでに牢屋に入っていると聞かされ混乱する。連行の経緯を聞いて、その男が昨夜自分の妻と一緒にいたことを知ると、妻に不貞の疑いを抱くアイゼンシュタイン。そこへ看守フロッシュが、貴婦人らしき女性（実はロザリンデ）が来訪し、談話室へ通したことを告げる。談話室へ向かう所長フランク。さらに現れたのは弁護士ブリント。彼は刑務所のアイゼンシュタインに会いに来たのだが、当人が目の前にいるのを見て混乱する。そこでアイゼンシュタインは、ブリントになりすまして件の間男に面会し、不貞の事実を突き止めようと思いつき、彼を引き立てていく。一方、牢にいたアイゼンシュタイン役のアルフレートを面会のために連れてきた看守フロッシュは誰もいないのに驚いて、アルフレートを残して退場。その隙にロザリンデがやってきて、夫に見つかる前にここを立ち去るようアルフレートを急かす。するとそこへ弁護士になりすましたアイゼンシュタインが登場。ロザリンデに当夜何があったのか、不倫の証拠を押さえようと、きびしく問い詰める。肝心の事実をはぐらかすロザリンデに業を煮やして、アイゼンシュタインはついに自分の身を明かす。驚くロザリンデとアルフレート。しかしロザリンデは昨夜アイゼンシュタインから取り上げた時計を示して、逆に彼をやり込める。形勢が逆転したところに、ファルケが登場して、すべては自分が仕組んだ茶番劇「こうもりの復讐」だったと、種明かしをする。アデーレとイーダ、フロッシュも現れ、さらにファルケに呼ばれたオルロフスキー公をはじめ一同そろって、最後はアイゼンシュタインも納得してすべてを水に流し、シャンパンを讃える陽気な大合唱で締めくくる。