Действие I
В богатом доме семейства Айзенштейн трудится хорошенькая горничная Адель, мечтающая стать актрисой. Альфред, поклонник её хозяйки Розалинды, распевает под окном серенаду. В надежде остаться наедине с предметом своего обожания он передаёт Адели приглашение на бал-маскарад к князю Орловскому. Девушка в восторге, осталось только придумать повод, чтобы госпожа отпустила прислугу, и добыть подходящий наряд. Увы, Розалинда не поддаётся на уговоры своей горничной. Появляется хозяин, финансист Генрих Айзенштейн. У него плохая новость: за охоту в чужом поместье он должен сесть в тюрьму на восемь дней. Виновным Айзенштейн считает не себя, а своего адвоката Блинда. А вот и Блинд: он явился с обещаниями добиться пересмотра дела. Розалинда и Генрих обрушиваются на него с упрёками. Адвокат уходит, супруги остаются наедине, и Генрих рассказывает Розалинде о своём случайном браконьерстве. В рассказе то и дело всплывают подробности, которые Айзенштейн хотел бы утаить от жены. Приходится импровизировать; в виртуозном вранье Генриху помогает зашедший в гости приятель, театральный директор Фальк. Втайне от Розалинды Фальк предлагает другу поехать на бал под именем некоего маркиза де Карамболя, а в тюрьму явиться с утра. Рискованная затея приводит Айзенштейна в восторг. Наступает миг прощания: супруги трогательно расстаются, и Генрих оставляет опечаленную Розалинду одну. Этим обстоятельством тут же пользуется Альфред, который располагается в доме своей возлюбленной как хозяин и начинает неумеренно пить вино. Директор тюрьмы Франк, приехавший арестовывать Айзенштейна, принимает Альфреда за мужа Розалинды и забирает его в тюрьму.
Действие II
Зал в доме князя Орловского заполнили многочисленные гости. Радушный хозяин бала приглашает всех пить и веселиться до утра. Маски и костюмы позволяют гостям оставаться неузнанными — следует череда недоразумений. Фальк увлечён дамой в розовом платье, не зная до поры, что это Адель, позаимствовавшая туалет у своей хозяйки. Внимание Айзенштейна приковано к загадочной герцогине в костюме летучей мыши. Ко всеобщему восхищению, она поёт и исполняет венгерский танец — чардаш. Орловский представляет очаровательную Адель, которую считает баронессой, Генриху, которого считает маркизом. Опасаясь разоблачения, горничная и хозяин вынуждены подыгрывать друг другу. Наконец Генрих остается тет-а-тет с прекрасной незнакомкой, не подозревая, что под маской летучей мыши скрывается его собственная жена. Розалинда выманивает у Айзенштейна подаренные ею часы, якобы для того, чтобы сверить с ними биение взволнованного сердца.
Тем временем праздник продолжается. Гости пьют на брудершафт и танцуют. Под утро Айзенштейн и Франк должны отправиться в тюрьму: один — под арест, другой — на службу. С изумлением Генрих узнаёт от Франка, что накануне вечером тот уже препроводил в камеру супруга Розалинды. Пошатываясь, Айзенштейн и Франк направляются в тюремный замок.
Действие III
В тюрьме несет службу Дежурный, большой любитель выпивки. Его начальник, явившийся в тюрьму после бала, должен освежиться в ванне. Приходит Айзенштейн: ревнивый муж хочет узнать, кто его двойник. Появляется адвокат Блинд: его потребовал к себе протрезвевший Альфред, не желавший более сидеть в тюрьме вместо настоящего виновника. Взбешенный Генрих забирает у адвоката его мантию и парик — он хочет лично учинить допрос псевдо-Айзенштейну.
Беседуя с «адвокатом», Альфред удивляется его яростной реакции на рассказ о вечернем эпизоде в доме Айзенштейнов. Приходит Розалинда. Супруг суров с ней, но госпожа Айзенштейн демонстрирует мужу часы — свидетельство его неверности. Генрих разоблачён и умоляет о прощении. Входит компания гостей князя Орловского, они жаждут продолжения праздника. Летучая мышь открывает всем своё инкогнито, а Адель немедленно поступает в труппу театра господина Фалька. «Мадам Мораль дала урок, и посрамлён месье Порок», — единодушно резюмируют все.
