Comme dans le roman, le personnage central, Orlando (Tilda Swinton) ne vieillit pas - ou à peine - à partir de la fin de l'adolescence dans l'Angleterre élisabéthaine jusqu'à la fin du XXe siècle. Au cours de ces trois cent ans, Orlando, personnage androgyne par excellence, change de sexe (d'un homme il devient une femme alors qu'il est en poste diplomatique pour l'Angleterre en Orient) et connaît l'amour sous plusieurs formes : jeune homme du XVIIe siècle, il tombe amoureux de Sasha (Charlotte Valandrey), la fille de l'ambassadeur russe, qui l'abandonne ; au XVIIIe siècle, l'archiduc Harry (John Wood) le poursuit de ses assiduités alors qu’Orlando, devenu femme, se voit déchue de ses droits de propriété ; au XIXe siècle, Orlando, désormais femme, s'éprend de Shelmerdine, voyageur d'origine américaine (Billy Zane). Virginia Woolf faisait s'interrompre le roman en 1928 (année de la fin de la rédaction de celui-ci), Sally Potter choisit la même perspective en prolongeant l'histoire d’Orlando jusqu'à l'époque de réalisation du film. L'intrigue du film est accompagnée des commentaires d'une voix off (Sally Potter) et ponctuée d'apartés de la comédienne principale face à la caméra qui viennent conforter le ton humoristique d'ensemble.