La obra comienza con la llegada encubierta de un caballero llamado después don Antonio Ramírez, que viaja con su criado Fabio y, pese a tener concertado en Sevilla un ventajoso matrimonio con la rica Matilde, hija de un indiano pariente suyo, se ha detenido en Orgaz por amor a una joven labradora llamada Leonor. Para permanecer cerca de ella sin ser reconocido, entra al servicio de don Cosme de Armenia, extravagante hidalgo o villano ennoblecido por su propia fantasía, célebre por su locura genealógica y por presentarse como descendiente directo de Noé y pariente del emperador Carlos V. Don Cosme se instala en Orgaz con pretensiones de grandeza, rodeándose de criados reclutados entre los lugareños y rebautizados con nombres más nobles. Mientras tanto, en el prado y otros espacios de recreo de la villa se desarrolla la relación amorosa entre Leonor y el forastero, conocido allí como Celio o secretario del marqués, frente a la porfía de otros pretendientes locales, especialmente Lauro. Leonor, que se muestra esquiva, valora en Celio su cortesía y noble apariencia, aunque mantiene cautela porque ignora oficialmente su verdadera condición.
La acción cambia cuando se descubre que Leonor no es en realidad hija del labrador Lorenzo de la Encina, sino sobrina del Gran Prior de Castilla e hija de don García de Toledo, caballero de la Casa de Alba; Lorenzo cuenta que la recibió de niña por encargo secreto en un cigarral cercano a Toledo y la crio como hija propia. El Gran Prior la hace llevar a Consuegra con el decoro correspondiente a su verdadero linaje, y allí don Cosme, envanecido por una burla organizada por don Íñigo y el propio Prior, recibe el falso título de marqués del Cigarral, con el que aumenta su presunción y aspira abiertamente a casarse con Leonor. La casa del Prior se convierte entonces en centro de intrigas amorosas y burlas cortesanas: Leonor finge favorecer a don Cosme para entretenerlo, mientras rechaza a su criado Fuencarral cuando este pretende a Marina, hermana de crianza de Leonor. También se prepara una burla nocturna en la que el supuesto marqués, creyendo acudir a una cita amorosa con Leonor, sube por una escala, queda expuesto al sereno, es despojado de sus ropas mediante engaño y acaba humillado ante la justicia y los presentes. Paralelamente, Celio revela por fin a Leonor su verdadera identidad: es don Antonio Ramírez, noble madrileño de ilustre linaje, que abandonó su viaje a Sevilla al enamorarse de ella y ha vivido disfrazado para servirla de cerca.
En la parte final, la llegada de Lupercio, criado que trae noticias de la familia de don Antonio, amenaza con descubrirlo, pero esta circunstancia precipita la resolución favorable. El Gran Prior escucha de manera indirecta la confesión de amor entre Leonor y don Antonio, averigua por don Íñigo la noble condición del joven y decide aprobar inmediatamente el matrimonio, ofreciendo además una generosa dote a su sobrina. Al mismo tiempo, la comicidad de don Cosme culmina con su desastrada participación en el encierro y la lidia de toros, donde, por imprudencia y jactancia, resulta malparado y es traído a hombros. Cuando descubre que Leonor ha sido ya dada por esposa a su secretario, estalla indignado; sin embargo, el Prior lo aplaca con una nueva ficción, asegurándole que el emperador desea casarlo con una infanta del Cuzco recién llegada a España y dotada con inmensas riquezas. Satisfecho con esta perspectiva aún más grandiosa, don Cosme renuncia a Leonor, acepta la explicación y se dispone a partir. La comedia concluye así con el enlace de Leonor y don Antonio, el ascenso simbólico de Marina al nuevo rango de su hermana y la consolidación del tono burlesco en torno al falso marqués del cigarral.