Domenico Soriano, ricco pasticcere e impenitente donnaiolo napoletano, è legato all'ex prostituta Filumena Marturano da una relazione più che ventennale. Conosciutala al tempo della seconda guerra mondiale durante un bombardamento, dopo averla tolta dalla casa di tolleranza in cui era, dapprima l'aveva sistemata in un appartamento di sua proprietà e poi l'aveva accolta in casa sua e della sua anziana madre come amante-convivente nonché governante.

In un continuo alternarsi di flashback sulla storia passata dei protagonisti ed il presente, il film mostra l'intricato rapporto che lega Domenico a Filumena. Entrambi sembrano innamorati l'uno dell'altra ed entrambi sembrano non poter fare a meno l'uno dell'altra nella propria vita. Lui non le fa mancare niente, e pur incostante e spesso distante per lunghi periodi, sempre ritorna da lei. Tuttavia, per Domenico Filomena rimane una prostituta, una donna con cui intrattenere una relazione in sordina, e nulla di più. Filumena dal canto suo soffre per le continue umiliazioni che "don Mimì" (così lo chiama in segno di stima e riverenza) le infligge. Pur vedendo esaudita ogni sua richiesta in termini di denaro e di comodità, sente dentro di sé che le manca la stima e il rispetto di un uomo che in cuor suo ama. "Mo so' femmena", gli dirà sopraggiunta l'età del matrimonio, un matrimonio che tuttavia Domenico sempre le negherà, almeno fino a un certo momento.

Quando Domenico è ormai cinquantenne e lei quarantenne, appresa la notizia dell'imminente matrimonio di lui con una giovanissima cassiera della sua pasticceria, un giorno Filumena finge di sentirsi male e di essere sul punto di morire, e chiede l'intervento di un prete per l'estrema unzione. A lui Filumena comunicherà il suo ultimo desiderio, vale a dire quello di sposare Domenico al capezzale. Il prete, conoscendo la loro storia e il rapporto che li legava insieme da anni, convincerà Domenico a fare quest'opera di bene. Ma, terminata la celebrazione del rito e congedatosi il prete, Filumena riacquista le forze, alzandosi dal letto e lasciando gli inservienti lì presenti e lo stesso Domenico sconcertati. Lei è arrabbiata, stufa di essere trattata con disprezzo da Domenico, vuole essere sua moglie, vuol essere la signora Soriano. Ma Filomena non è un'arrivista qualunque, non ha fatto tutto questo per legare egoisticamente Domenico a sé, lo ha fatto bensì per garantire un avvenire e un "cognome" (Soriano, appunto) ai suoi tre figli. Questi figli, ormai grandi, ella li aveva avuti quando ancora era una prostituta. Della loro esistenza aveva sempre accortamente tenuto all'oscuro Domenico, mantenendoli e pagando loro gli studi con i denari che questi le passava per il proprio mantenimento. Adesso Filumena non ha più paura della verità e vorrebbe quei figli con sé, vorrebbe che tutti insieme fossero una famiglia.

Di fronte a queste rivelazioni di Filumena, Domenico non ci sta: il suo giudizio su di lei quale ex-prostituta non è cambiato, non penserebbe mai di sposarla. Pertanto lavora con il suo avvocato per ottenere l'annullamento delle nozze in ragione della frode con la quale ella aveva raggiunto il suo scopo. Filumena, amareggiata, delusa e stanca, acconsente al volere di Domenico. Nel frattempo la donna, come si era promessa di fare, si rivela ai suoi figli, presentandosi quale loro mamma, senza nascondere nulla di sé e del suo passato. I figli la accettano, e questo accresce la fiducia che ella ha in se stessa.

Filomena, senza ribattere, firma davanti a Domenico i documenti di invalidamento del matrimonio, rivelandogli anche, tuttavia, che uno dei tre ragazzi è figlio suo, ma non precisa di quale si tratti: a questo punto non le importa più niente del falso matrimonio, è una madre e l'unica cosa che le sta veramente a cuore è il bene dei suoi figli. Alla richiesta dell'uomo di sapere chi sia suo figlio ella oppone un fermo silenzio, per amore degli altri due, i quali altrimenti sarebbero da lui discriminati.

Domenico comincia ad arrovellarsi all'idea di avere un erede, accantona l'idea del matrimonio con la giovane cassiera e comincia a riflettere sulla sua vita passata e presente, sul suo rapporto con Filumena. Così alla fine, dopo averla riempita di minacce e dopo aver inutilmente cercato di capire chi dei tre ragazzi sia suo figlio, egli si ravvede, sposa la compagna di una vita, ed accetta tutti e tre i ragazzi come suoi. ( )