1. Akt
In einem Schweizer Alpendorf feiern Amina, ein Waisenmädchen, und Elvino, ein reicher Grundbesitzer, ihre Verlobung. Amina wurde von der Müllerin Teresa aufgezogen und arbeitet in deren Mühle. Die Gastwirtin Lisa hört die Vivat-Rufe und ist eifersüchtig, denn sie und Elvino waren zuvor ein Paar. Alessio hat mit den Dorfbewohnern ein Ständchen für das Brautpaar einstudiert. Er ist in Lisa verliebt, wird jedoch von ihr immer wieder zurückgewiesen. Amina bedankt sich für das Lied und die Fürsorge ihrer Ziehmutter. Alessio wünscht sie eine baldige, glückliche Vereinigung mit Lisa. Über deren frühere Verbindung mit Elvino weiß sie nichts. Der Notar erscheint, aber Elvino verspätet sich. Er hat am Grab seiner Mutter um deren Segen gebeten. Als er endlich erscheint, wird der Ehekontrakt aufgesetzt, und von Elvino und Teresa sowie von den Trauzeugen Alessio und Lisa unterzeichnet. Elvino schenkt Amina den Ring seiner Mutter und einen Veilchenstrauß und erklärt ihr seine Liebe. Er lädt alle zur kirchlichen Trauung am nächsten Morgen ein. 
Ein Fremder trifft ein und fragt, wie weit es zum Schloss sei. Da es schon dämmert, rät ihm Lisa zur Übernachtung in ihrem Gasthaus. Das Dorf scheint ihm vertraut zu sein und erinnert ihn an glückliche Zeiten. Er fragt, wessen Hochzeit vorbereitet werde, und als er Amina sieht, weckt sie Erinnerungen an ein Mädchen, in das er einst verliebt war. Er sei beim alten Grafen aufgewachsen und erfährt nun von Teresa, dass dieser verstorben sei, ohne jemals von seinem verschollenen Sohn gehört zu haben. Der Fremde behauptet, dass der Sohn noch lebe. Hornrufe künden von der einbrechenden Dunkelheit. Teresa fordert alle auf, heimzugehen, da die Geisterstunde nahe. Die Dorfbewohner erzählen dem ungläubigen Besucher, dass des Nachts der Geist einer Frau klagend im Dorf herumirre. Alle wünschen eine gute Nacht. Der Fremde geht mit Lisa ins Gasthaus, nachdem er sich besonders von Amina freundlich verabschiedet hat. Elvino ist eifersüchtig und macht ihr heftige Vorwürfe. Doch sie versöhnen sich und versichern sich ihre Liebe.
Im Gasthaus zeigt Lisa dem Fremden sein Zimmer und eröffnet ihm, dass er erkannt worden sei: als Rodolfo, der Sohn des alten Grafen. Sie kündigt an, dass die Dorfbewohner ihn willkommen heißen wollen. Er macht ihr Avancen, doch ihre Annäherungen werden von einem Geräusch unterbrochen. Als Lisa in das Zimmer nebenan flüchtet, verliert sie ein Halstuch.
Durch das Fenster steigt die schlafwandelnde Amina ins Zimmer. Sie hält Rodolfo für ihren Verlobten und träumt von ihrer Hochzeit. Sie legt sich schlafend auf das Sofa. Als Rodolfo die nahenden Dorfbewohner hört, flüchtet er aus dem Fenster, durch das Amina hereingekommen ist. Alessio und die Leute treten durch die offene Tür. Lisa bringt Elvino herbei und zeigt ihm die schlafende Amina. Diese erwacht und läuft zu Elvino, der sie jedoch zurückstößt. Alle sind entsetzt über ihren Verrat. Teresa findet Lisas Halstuch und legt es Amina um. Elvino sagt die Hochzeit ab, Amina bricht in Teresas Armen zusammen.

2. Akt
Die Dorfbewohner machen sich auf den Weg zum Schloss, um den Grafen um Aufklärung zu bitten und Amina zu entlasten, falls sie unschuldig sei. Auch Teresa will mit Amina zu ihm. Als Elvino erscheint, beteuert Amina erneut ihre Unschuld. Voller Enttäuschung über ihre Untreue weist er sie zurück. Die Dorfbewohner berichten, dass der Graf Amina für unschuldig erklärt habe. Doch Elvino nimmt ihr wütend den Ring ab. Alessio bedrängt Lisa mit seinem Wunsch, sie zu heiraten. Doch inzwischen hat Elvino sie nun zur Braut gewählt und bereitet die Hochzeit vor.
Auf dem Weg zur Kirche hält Rodolfo sie auf und erklärt, dass Amina eine Schlafwandlerin sei. Niemand glaubt ihm. Teresa bittet alle um Ruhe, die erschöpfte Amina sei endlich eingeschlafen. Als sie von der bevorstehenden Trauung erfährt, offenbart sie Lisas Tuch, das sie im Hotelzimmer des Grafen gefunden hat. Nun scheint Elvino zweifach betrogen. Wiederum beteuert der Graf Aminas Unschuld – der Beweis folgt, als diese schlafwandelnd aus dem Fenster auf das Dach über dem Mühlrad steigt. Nur ein falscher Schritt könnte sie umbringen, eine lockere Planke lässt sie straucheln. Sie steigt vom Dach. Im Delirium trauert sie ihrer Verbindung mit Elvino nach. Umringt von den Dorfbewohnern steckt dieser ihr den Ring an den Finger. Sie erwacht und ist erneut seine Braut.