La obra comienza en Madrid, adonde llega doña Juana de Solís disfrazada de hombre con el nombre de don Gil. A su criado Quintana le revela que ama a don Martín de Guzmán, joven vallisoletano que la cortejó en Valladolid, obtuvo de ella palabra y entrega amorosa y después, presionado por la codicia de su padre, viajó a la corte para casarse con doña Inés, rica heredera madrileña. Para facilitar el engaño, el padre de don Martín le hizo mudar el nombre por el de don Gil y envió cartas a don Pedro de Mendoza, padre de Inés, presentándole a un supuesto pretendiente noble y acomodado. Juana, enterada de la traición, decide perseguir a su antiguo amante con ingenio y audacia: se viste de hombre, toma precisamente ese nombre de don Gil y, con la ayuda ocasional de Quintana y del lacayo Caramanchel, entra en Madrid dispuesta a estorbar el nuevo matrimonio. Su primera maniobra consiste en adelantarse a la intriga y presentarse con gran donaire ante don Pedro y ante las damas de su casa. En una fiesta en la Huerta del Duque, don Juan, que pretende a doña Inés, contempla con celos cómo esta queda súbitamente prendada del gracioso y elegante “don Gil” de las calzas verdes, sin sospechar que se trata de una mujer. Desde ese momento, el plan de Juana logra alterar por completo las relaciones amorosas previstas.
En la segunda jornada, Juana multiplica los engaños para cercar a don Martín. Alterna el disfraz masculino con una nueva identidad femenina, doña Elvira, y alquila una casa contigua a la de doña Inés para vigilar cuanto sucede. Bajo esa apariencia de vecina, refiere a Inés una historia fingida según la cual el hombre que se hace pasar por don Gil sería en realidad don Miguel de Ribera, desleal y ya comprometido con ella; con ello desacredita al falso pretendiente y fortalece el amor de Inés por el verdadero “don Gil” que ella misma encarna. A la vez, hace creer a don Martín, por medio de Quintana, que doña Juana permanece en Valladolid, encerrada en un convento y embarazada, de manera que él baje la guardia. La intriga se complica con la pérdida y circulación de cartas y libranzas: Juana intercepta documentos destinados a don Martín, cobra el dinero enviado por su padre y utiliza esas pruebas para desbaratar su crédito ante don Pedro. Mientras tanto, doña Inés, enamorada del don Gil de las calzas verdes, rechaza al pretendiente barbado que le proponen; doña Clara, su prima, se siente también atraída por ese mismo galán; y don Juan, despechado, busca ocasión de matar a su rival. La comicidad nace de la proliferación de identidades y de la imposibilidad de fijar quién es el verdadero don Gil, hasta el punto de que varios personajes creen tratar con un duende, un hechicero o una figura sobrenatural.
La tercera jornada lleva el enredo a su punto máximo. Quintana hace creer a don Martín que doña Juana ha muerto tras un mal parto, y luego corre el rumor de que su alma anda en pena, vestida de hombre y persiguiendo al ingrato bajo el nombre de don Gil. Asustado y confundido, don Martín interpreta cada aparición de su rival como castigo de ultratumba, mientras Juana sigue entrando y saliendo de sus disfraces y sembrando celos entre Inés, Clara, Elvira y los demás. Durante una ronda nocturna coinciden varios supuestos don Giles, se producen desafíos, heridas y nuevas equivocaciones, y la justicia llega a prender a don Martín por acusaciones contradictorias de homicidio, engaño y pendencia. El desenlace llega cuando comparece doña Juana viva, ya sin necesidad de ocultarse, y explica que ella ha sido el famoso don Gil fingido, autor de las tretas con que quiso salvar su honra y castigar la infidelidad de su prometido. Don Martín, acorralado por las pruebas y por la presencia de la mujer a la que había abandonado, reconoce la verdad y vuelve a aceptarla. Don Pedro y los demás personajes comprenden entonces el laberinto de identidades, se reparan los daños principales y se ordenan las parejas finales: don Martín queda unido a doña Juana, doña Inés acepta a don Juan y doña Clara a don Antonio. Así, la comedia concluye con restauración del honor, desenmascaramiento del impostor amoroso y triunfo de la industria femenina sobre la codicia y el engaño masculino.