Le titre évoque le nom d'une fleur qui ne fleurit que la journée, et en l'occurrence fait référence au surnom du personnage principal du film, une call-girl à qui la patronne de la maison de passe qu'elle fréquente a donné ce surnom, parce qu'elle n'offre ses charmes que l'après-midi (de 14 h à 17 h).
Séverine Serizy (Catherine Deneuve) est une jeune et très belle femme aux fantasmes masochistes assez particuliers. Elle est mariée au très charmant docteur Pierre Serizy (Jean Sorel) qu'elle aime « au-delà du plaisir ». Elle ne parvient pas en effet à trouver le plaisir auprès de lui, ce qui les frustre tous deux. Un ami du couple, que le jeune docteur apprécie beaucoup plus que sa femme, Monsieur Henri Husson (Michel Piccoli), en vient à parler à Séverine d'un bordel de luxe qu'il fréquentait dans le passé et, accessoirement, lui avoue son désir pour elle.
Séverine, à la personnalité brisée, et qui est, selon toute apparence, insatisfaite sexuellement, finit par se rendre dans le mauvais lieu que lui a signalé Husson, entre en contact avec la patronne de l'endroit, Madame Anaïs (Geneviève Page), qui pense qu'elle a des problèmes d'argent, et commence à y travailler secrètement, étant entendu qu'elle ne s'y prostituera que certains après-midi de 14 à 17 heures (d'où le surnom qu'on lui donne : « Belle de jour »). Elle retrouve ensuite, en fin d'après-midi, les bras de son mari, qui, amoureux confiant et heureux, ne se doute évidemment de rien.
Après un certain nombre de passes sans lendemain ni conséquences, qui sont autant d'expériences pittoresques (un fabricant de bonbons bordelais, paternaliste et farceur, un Asiatique policé et herculéen au baragouin incompréhensible, un duc BCBG aux fantasmes mortuaires extravagants), Belle de jour se lie à Marcel (Pierre Clémenti), un jeune rebelle qui éveille sa passion et satisfait autant ses sens que son masochisme secret.
La situation se complique lorsque la jeune femme envisage avec l'accord de Madame Anaïs de cesser de fréquenter sa maison, parce que Marcel devient trop exigeant et jaloux de son mari ; elle devient même catastrophique, quand Monsieur Husson, revenu dans la maison de passe après une très longue absence, découvre le secret de Séverine et, suprême humiliation, refuse finalement de coucher avec elle car, dit-il, ce qu'il aimait en elle, c'était sa vertu.
