La narradora comienza su diario maravillándose con la grandeza de la casa y los terrenos que su marido ha tomado para sus vacaciones de verano. La describe en términos románticos como una finca aristocrática o incluso una casa encantada, y se pregunta cómo pudieron pagarla y por qué la casa había estado vacía durante tanto tiempo. Su sensación de que hay «algo raro» en la situación la lleva a hablar de su enfermedad -sufre una «depresión nerviosa»- y de su matrimonio. Se queja de que su marido, John, que también es su médico, menosprecia tanto su enfermedad como sus pensamientos y preocupaciones en general. Contrasta su forma de ser práctica y racionalista con su propia imaginación y sensibilidad. Su tratamiento le obliga a no hacer casi nada de forma activa, y se le prohíbe especialmente trabajar y escribir. Siente que la actividad, la libertad y el trabajo interesante ayudarían a su condición y revela que ha comenzado su diario secreto para «aliviar su mente». En un intento de hacerlo, la narradora comienza a describir la casa. Su descripción es mayoritariamente positiva, pero los elementos perturbadores, como los «anillos y cosas» en las paredes del dormitorio, y los barrotes en las ventanas, siguen apareciendo. Le molesta especialmente el papel pintado amarillo del dormitorio, con su extraño dibujo sin forma, y lo describe como «repugnante». Sin embargo, pronto sus pensamientos se ven interrumpidos por el acercamiento de John, y se ve obligada a dejar de escribir.
A medida que pasan las primeras semanas del verano, la narradora se vuelve buena ocultando su diario, y por tanto ocultando sus verdaderos pensamientos a John. Sigue anhelando una compañía y una actividad más estimulantes, y vuelve a quejarse de las maneras cronistas y controladoras de John, aunque enseguida vuelve al papel pintado, que empieza a parecerle no sólo feo, sino extrañamente amenazador. Menciona que a John le preocupa que ella se fije en él, y que incluso se ha negado a empapelar la habitación para no ceder a sus preocupaciones neuróticas. Sin embargo, la imaginación de la narradora se ha despertado. Menciona que le gusta imaginarse a la gente en las pasarelas que rodean la casa y que John siempre desalienta esas fantasías. También recuerda su infancia, cuando era capaz de aterrorizarse imaginando cosas en la oscuridad. Mientras describe el dormitorio, que según ella debió ser una guardería para niños pequeños, señala que el papel está arrancado de la pared en algunas partes, que hay arañazos y cortes en el suelo y que los muebles son pesados y están fijos. Justo cuando empieza a ver un extraño sub-patrón detrás del diseño principal del papel pintado, su escritura es interrumpida de nuevo, esta vez por la hermana de John, Jennie, que está actuando como ama de llaves y enfermera de la narradora.
Cuando pasa el 4 de julio, la narradora informa de que su familia acaba de visitarla, dejándola más cansada que nunca. La narradora está sola la mayor parte del tiempo y dice que se ha encariñado con el papel de la pared y que intentar averiguar su patrón se ha convertido en su principal entretenimiento. A medida que su obsesión crece, el sub-patrón del papel pintado se vuelve más claro. Empieza a parecerse a una mujer «agachada y arrastrándose» detrás del patrón principal, que parece los barrotes de una jaula. Cada vez que la narradora intenta hablar sobre la posibilidad de abandonar la casa, John se burla de sus preocupaciones, silenciándola. Cada vez que lo hace, su fascinación por el papel crece.
Pronto, el papel pintado domina la imaginación de la narradora. Se vuelve posesiva y reservada, ocultando su interés por el papel y asegurándose de que nadie lo examine para poder «descubrirlo» por sí misma. En un momento dado, asusta a Jennie, que había estado tocando el papel pintado y que menciona que había encontrado manchas amarillas en su ropa. Al confundir la fijación de la narradora con la tranquilidad, John piensa que ella está mejorando. Pero ella duerme cada vez menos y está convencida de que puede oler el papel por toda la casa, incluso fuera. El narrador descubre una extraña marca de mancha en el papel, que recorre toda la habitación, como si hubiera sido frotada por alguien que se arrastra contra la pared.
El subpatrón se parece ahora claramente a una mujer que intenta salir de detrás del patrón principal. El narrador la ve agitando los barrotes por la noche y arrastrándose durante el día, cuando la mujer consigue escapar brevemente. El narrador menciona que ella también se arrastra a veces. Sospecha que John y Jennie son conscientes de su obsesión, y decide destruir el papel de una vez por todas, despegando gran parte de él durante la noche. Al día siguiente se las arregla para estar sola y entra en una especie de frenesí, mordiendo y rasgando el papel para liberar a la mujer atrapada, a la que ve luchar desde el interior del patrón.
Al final, la narradora está irremediablemente loca, convencida de que hay muchas mujeres rastreras alrededor y que ella misma ha salido del papel pintado, que ella misma es la mujer atrapada. Se arrastra sin cesar por la habitación, manchando el papel pintado a su paso. Cuando John irrumpe en la habitación cerrada y ve todo el horror de la situación, se desmaya en la puerta, por lo que la narradora tiene que «llorar sobre él cada vez».