法国沦陷后，不堪纳粹压迫的人们必须绕道非洲，再经由里斯本出亡美国。于是法属摩洛哥的北部城市卡萨布兰卡作为必经的中转地，难民云集，黑市护照生意兴隆。
从柏林飞来的纳粹德国秘密警察头目司特拉斯少校，下机伊始便向负责当地治安的法国警察局长雷诺上尉申明来意。他不仅要查清两个德国信使不久前被杀一案，更重要的是要追踪刚从集中营里释放出来的捷克左翼运动领导人维克多·拉斯罗，并阻止他在本市转机飞往里斯本。雷诺是个意志薄弱的人，他甘心投靠法国伪政府，但又憎恨纳粹。他向司特拉斯报告说，杀害德国信使的凶手已经查明，他将于今晚在里克饭店设伏逮捕。
里克饭店是靠近机场的一家豪华的夜总会。主人里克是一个面色冷峻、目光犀利的美国人。除了雷诺，很少有人了解他那段曾在西班牙和埃塞俄比亚参加过反法西斯战争的历史。他在饭店里周旋于各色人等之间。无论是纳粹分子、法国警察、来历不明的难民或杀人不眨眼的黑帮头目，他都能应付自如。
杀死了德国信使的犹加特来找里克。他从信使身上弄到两张由德国元帅签发的通行证，他要里克代为保管。等他找到买主后，他就将远走高飞。里克同意了。
雷诺领着司特拉斯少校来到里克饭店。雷诺告诉里克，今夜将在饭店里设伏逮捕一名凶手，并警告他不要泄漏风声。他同时告诉里克，拉斯罗已经到达，奉劝他不要干扰警方的追踪计划。雷诺告诉司特拉斯说，里克是一位中立人士，但司特拉斯轻松地报出了里克的真名实姓、实际年龄和他过去的经历，并恫吓他必须帮助他们阻止拉斯罗逃往美国。里克神色自若地回答说，他对“狐狸”和“猎狗”都不感兴趣，他的职业只是开酒店。
拉斯罗和依尔沙也来到了里克饭店。拉斯罗和前来接头的抵抗运动分子约定了会面地点和时间。依尔沙发现了饭店的钢琴师山姆，两人神色陡变。接头人离去后，雷诺和司特拉斯突然出现在拉斯罗面前，严厉询问他来卡萨布兰卡的目的。拉斯罗拒绝回答。雷诺要求他改日去警察局接受查询，拉斯罗同意了。这时依尔沙走向山姆，要求他弹唱一支《时光流转》的曲子。刚从屋里出来的里克听到歌声，顿时面色苍白，呆若木鸡。雷诺刚要向里克介绍拉斯罗和依尔沙，依尔沙主动伸过手来向里克问好，并向他介绍了拉斯罗。
夜色已深，顾客散尽，只有里克一人坐在店堂里。《时光流转》的旋律在他耳边萦绕不息，他陷入了对往事的回忆。
春天的巴黎。里克和依尔沙在一辆敞篷汽车里相偎相依，缓缓行驶在爱丽舍田园大街上。
在巴黎的一家饭店里，里克和依尔沙在翩翩起舞。
在里克的巴黎寓所里，里克和依尔沙拥抱接吻。依尔沙告诉他，她爱过一个男人，可是他死了，现在她爱里克爱得发狂。
在巴黎陷落的前夕，里克告诉依尔沙，他早已在纳粹的黑名单上，他必须尽快离开。
在巴黎的一家饭店里，山姆在弹奏《时光流转》。里克和依尔沙约定在火车站汇合，与山姆一起去里昂。
在春雨绵绵的火车站上，里克焦急地等待着依尔沙的到来。山姆跑来告诉里克，依尔沙已不知去向。她给里克留下了一封信，信中写道：“我不能和你一同走，也不能和你再见面了，你一定不要问为什么。只要相信，我爱你。去吧，亲爱的，上帝保佑你。”
从回忆中惊醒过来的里克发现依尔沙正站在饭店门口。她想告诉他一个关于她的身世的故事。里克冷冰冰地拒绝了她，说他对解释不感兴趣。
拉斯罗从抵抗运动分子那里了解到自己处境危险，但又苦于弄不到出境护照。他从一个卖黑市护照的人那里打听到里克手里握有两张通行证，便去找里克帮忙，却遭到了拒绝。当夜依尔沙再次出现在里克面前，斥责他不应为了个人感情创伤而向整个世界报复。她用手枪胁迫里克交出通行证，里克坦然要求她开枪。她的手颤抖了，枪掉落在地上，她向里克哭诉了自己的隐情：她和拉斯罗结婚后才三个星期，拉斯罗便被捕了，不久就传来他死亡的消息。但正当她准备去火车站和里克一起逃亡时，她突然接到拉斯罗的朋友的电话，说拉斯罗仍活着，正在巴黎郊外养病。她不能扔下拉斯罗不管，只得忍痛留下。她希望永远不要再遇见里克，但现在她再也没有勇气离开里克了。里克明白了一切，决定帮助拉斯罗离开卡萨布兰卡。
拉斯罗和依尔沙依照里克的安排，在飞机起飞前几分钟来到里克饭店。里克用手枪胁迫雷诺在通行证上签上“同意放行维克多·拉斯罗和夫人”字样。依尔沙深深理解里克的舍己救人的意图，不禁热泪盈眶。但正当飞机即将启动时，司特拉斯冲进了机场。他发现拉斯罗已经登机，便企图打电话通知指挥塔制止飞机起飞。里克毫不犹豫地一枪打死了这个纳粹头子。
飞机起飞了。雷诺表示愿意和里克一起逃出卡萨布兰卡，去投奔自由。