En Sevilla, doña Jerónima, mujer culta que estudia medicina y rechaza el matrimonio como pérdida de libertad, se irrita porque el huésped de su hermano don Gonzalo, don Gaspar de Benavides, lleva un mes en casa sin visitarla ni mostrar curiosidad por ella. La descortesía despierta primero su amor propio y después un interés amoroso creciente. Movida por los celos y la curiosidad, espía a don Gaspar, lee papeles suyos y descubre la historia de sus amores toledanos con doña Micaela: ambos se quisieron, pero una carta anónima levantó sospechas de deshonra, provocó la muerte de la madre de la dama, el enojo del hermano y un duelo en el que Gaspar mató a un hombre y tuvo que huir. Cuando unas mujeres tapadas lo citan en el Alcázar sevillano, Jerónima y su criada Quiteria se disfrazan para hablarle sin ser reconocidas. Allí le hacen creer que doña Micaela aún lo ama y, al mismo tiempo, le advierten del peligro judicial que lo persigue, por lo que Gaspar decide partir hacia Portugal; Jerónima queda afectada por esa marcha y por un amor nacido de una mezcla de despecho, admiración y deseo de intervenir en su destino.
La acción se traslada a Coimbra, en Portugal, adonde han llegado Gaspar y su criado Tello. Gaspar es acogido por don Íñigo de Cárdenas, quien desea casarlo con su hija doña Estefanía, mientras él parece dispuesto a olvidar a Micaela. Sin embargo, Jerónima ha seguido a Gaspar y, disfrazada de médico portugués bajo el nombre de dotor Barbosa, entra en la casa de don Íñigo y comienza a tratar a Estefanía, enferma de melancolía amorosa. La dama se enamora del supuesto doctor, que la visita, le toma el pulso y gana fama médica y académica hasta obtener una cátedra y el cargo de médico de cámara del rey. Al mismo tiempo, Jerónima, todavía como Barbosa, inventa una hermana llamada doña Marta de Barcelos, con cuya identidad femenina también aparece en la trama para enredar a Gaspar y a don Rodrigo. Estefanía ama al doctor sin saber que es mujer; Gaspar, por su parte, siente celos del médico y luego se enamora de la supuesta hermana portuguesa, doña Marta, sin advertir que ambos personajes son la misma Jerónima. Esta red de disfraces, visitas y diagnósticos amorosos convierte la medicina fingida en instrumento para probar voluntades, despertar celos y encaminar matrimonios.
En la jornada final, el falso dotor Barbosa consolida su prestigio al recibir del rey la confirmación de su cátedra y el oficio de médico de cámara. Entretanto, Gaspar intenta averiguar la causa del desdén de Estefanía y ofrece al médico una alianza matrimonial: él renunciaría a Estefanía si Barbosa le facilita casarse con su hermana. Entonces Jerónima, aún disfrazada, le revela que la dama sevillana a quien ofendió con su olvido y que luego lo siguió hasta Portugal es la misma que tuvo en Sevilla y Toledo ocasión de conocerlo y amarlo. Paralelamente, para sondear a Estefanía, Jerónima alterna otra vez los disfraces masculino y femenino, provocando en la joven celos hacia doña Leonor y logrando que confiese su amor por el doctor. Cuando la verdad sale a la luz, se aclara que Barbosa y doña Marta son Jerónima; Gaspar reconoce finalmente su relación con ella y acepta casarse. Estefanía, libre ya de su primer engaño amoroso, queda encaminada hacia don Rodrigo. Además, se sabe que ha muerto don Gonzalo, hermano de Jerónima, con lo que ella hereda y su unión con Gaspar queda socialmente afianzada. La comedia concluye con bodas concertadas, la burla de los enredos amorosos resuelta y la afirmación de que el amor, más que la ciencia, ha sido el verdadero “médico” de todos los personajes.