Phim mở đầu với cảnh một cô bé tên Gái soi bóng dưới cái giếng làng. Cô bé sinh ra tại một vùng quê yên bình, có người mẹ từng là ca kỹ nên cô bé phải nối nghiệp mẹ mình. Sau này Gái được một người quen đưa lên kinh thành Thăng Long để học đàn, cô bé trở thành học trò của thầy Nguyễn và được đổi tên Cầm. Ngay lần đầu gặp Cầm, thầy Nguyễn đã thấy ở cô có tài năng đặc biệt, tiếng đàn của cô mang nhiều cảm xúc hơn những người ca kỹ khác.

Cầm lớn lên với sắc đẹp chim sa cá lặn làm say đắm lòng người cũng như khả năng đàn điêu luyện. Một hôm binh lính trong kinh thành nổi loạn, chúng tàn phá giết chóc khắp nơi, buộc người dân phải bỏ chạy khỏi kinh thành. Trong thời gian đi lánh nạn, Tố Như và Cầm gặp nhau, từ đó họ đem lòng yêu nhau. Tố Như yêu Cầm dù đã có vợ hiền ở quê nhà. Cầm về quê sống với dì, Tố Như đi phiêu bạt suốt nhiều năm rồi cũng về quê.

Chiến tranh diễn ra, nhà Thanh kéo quân sang xâm lược Đại Việt. Một tên quan nhà Thanh bắt giữ Cầm để ép buộc cô về phủ riêng đàn cho hắn nghe, đúng lúc đó quân Tây Sơn tấn công vào, nhờ vậy mà Cầm thoát nạn. Trong thời gian này Tố Như bắt đầu làm thơ, còn Cầm trở thành ca kỹ nổi tiếng trong vùng. Hai người gặp lại nhau tại nhà một người phú hộ trong làng. Cầm muốn trao thân xác trong trắng của mình cho Tố Như, nhưng anh từ chối và bỏ đi xa.

Nhiều năm sau, Tố Như trở thành quan chánh sứ được vua cử đi sứ sang Trung Hoa. Ông gặp lại Cầm tại thành Thăng Long, hai người giờ đây đều đã già nua. Thấy nhan sắc của người phụ nữ mình yêu bị tàn phai theo thời gian, Tố Như đã ngẫu hứng làm bài thơ Long thành cầm giả ca ngay trong đêm đó. Đây cũng là lần cuối cùng hai người ở bên nhau. Cầm đi lang thang đến khi về lại cái giếng làng ngày xưa, có lẽ bà đã nhảy xuống giếng tự tử. Từ đó vào những đêm trăng sáng, người ta nghe được tiếng đàn bí ẩn vang từ dưới giếng lên.