В начале рассказа он и она выходят на палубу парохода, и, смеясь, незнакомка произносит: «Я совсем пьяна… Вообще я совсем с ума сошла. Откуда вы взялись? Три часа тому назад я даже не подозревала о вашем существовании. Я даже не знаю, где вы сели. В Самаре? Но всё равно, вы милый. Это у меня голова кружится, или мы куда-то поворачиваем?»
Поручик решается сойти на ближайшей пристани – она даёт согласие «Ах, да делайте, как хотите». Они сходят с парохода, берут извозчика, отправляются в гостиницу приволжского городка и останавливаются на ночь «в большом, но страшно душном, горячо накалённом за день солнцем номере».
Утром героиня, несмотря на то что «спали мало», «была свежа, как в семнадцать лет», «проста, весела и – уже рассудительна». Она отказывается ехать с поручиком дальше: ей «это будет очень неприятно», «всё будет испорчено». Так говорит она об их мимолетной связи: «На меня точно затмение нашло… Или, вернее, мы оба получили что-то вроде солнечного удара…». Казалось бы, с легкостью и простотой принимает поручик отказ продолжить с ним путь, провожает её, но возвратившись в гостиницу, он почувствовал пустоту. Всё в номере напоминало поручику о «прекрасной незнакомке». Ему было и смешно, и грустно от этого «странного приключения», и вдруг «он почувствовал такую боль и такую ненужность всей своей дальнейшей жизни без неё, что его охватил ужас, отчаяние».
День он проводит в скитаниях по уездному городу, в котором, как кажется герою, он «один так страшно несчастен». Поручик зачем-то забрёл на базар, зашёл в собор, «потом долго шагал, кружил по маленькому, жаркому и запущенному садику на обрыве горы, над неоглядной светло-стальной ширью реки…» С каждым его шагом будто бы усиливается действие «солнечного удара», нагревается и раскаляется душный город. Он возвращается в гостиницу, он не знает, как это сделать, но он хочет рассказать незнакомке, «как он мучительно и восторженно любит её», вместе с тем поручик понимает, как это бессмысленно. «Всё было хорошо, во всём было безмерное счастье, великая радость, даже в этом зное и во всех базарных запахах, во всём этом незнакомом городишке и в этой старой уездной гостинице была она, эта радость, а вместе с тем сердце просто разрывалось на части». Он пьёт кофе, курит, постоянно думает о ней. Наконец снова выходит на улицу, направляется к почте, осознаёт, что попытки найти её нелепы и тщетны (он даже не знает имени). Наблюдая жизнь города, он понимает: «Как дико, как нелепо, страшно всё будничное, обычное, когда сердце поражено».
Поручик возвращается в гостиницу. Номер прибран, «лишён последних следов её». Он видит своё отражение в зеркале: «обычное офицерское лицо, серое от загара, с белёсыми, выгоревшими от солнца усами и голубоватой белизной глаз», но его глаза приобретают выражение «возбуждённое, сумасшедшее», а в нём самом появляется «что-то юное и глубоко несчастное». Он ложится