Édouard et Charlotte, couple marié menant une existence paisible, voient leur équilibre bouleversé par l'arrivée du capitaine, ami d'Édouard, et d'Ottilie, jeune protégée de Charlotte. Comme des éléments chimiques soumis à de nouvelles affinités, les quatre personnages se recomposent en de nouveaux attachements, que Goethe explore avec la précision presque scientifique suggérée par le titre du roman.
Le roman surprend et divise à sa parution par son approche presque clinique des sentiments amoureux, mais s'impose depuis comme l'une des œuvres les plus originales de Goethe pour sa construction conceptuelle audacieuse.
Le roman démontre la capacité de Goethe à faire dialoguer science et littérature d'une manière rare pour son époque, transformant un concept de chimie en cadre narratif pour explorer les mécanismes, presque déterministes, de l'attraction amoureuse.