La obra comienza en Trujillo con el enfrentamiento entre don Sancho Altamirano, heredero de la hacienda familiar, y su hermano menor don Gonzalo, que rechaza quedar reducido a una obediencia humillante por razón del mayorazgo. Gonzalo sostiene que la verdadera nobleza procede del valor y de la honra más que de la riqueza, y, ofendido por el desprecio de su padre don Ramiro y de su hermano, decide marcharse a la guerra para ganar fama propia. Antes de partir recibe el apoyo de su criado Ricote, que lo sigue fielmente, aunque le transmite también el enfado de doña Elvira, antigua enamorada de Gonzalo. Camino de Burgos, donde Alfonso VI va a coronarse tras la muerte de su hermano Sancho, Gonzalo resuelve ocultar su linaje hasta merecer por sí mismo un nombre ilustre y adopta el apelativo de Caballero Sin Nombre. En un bosque encuentra dormida a una joven cazadora, doña Blanca, a la que salva del peligro de un oso sin llegar a hablar con ella; cautivado por su hermosura, le deja su retrato antes de seguirla. Cuando Blanca despierta y halla la pintura, queda igualmente prendada del desconocido, aunque intenta resistir ese amor súbito. Poco después su ayo Ricardo le revela su origen: es hija del rey Fernando y, por tanto, hermana del rey Alfonso, nacida de los amores del monarca con Garciunda, descendiente de sangre real inglesa. Llamada a la corte de Burgos para ser reconocida y casada dignamente, Blanca abandona su vida serrana, no sin dejar colgado el retrato en el bosque como memoria de su primer amor.
En Burgos, la fortuna de Gonzalo se complica. Deseoso de hablar con el rey, entra en palacio, pero mata al capitán de la guardia cuando este intenta abofetearlo y negarle el acceso. Ante Alfonso, rehúsa revelar su identidad y se presenta sólo como el Sin Nombre; el rey, aunque siente inclinación por él, lo condena a muerte por haber derramado sangre en su presencia durante el día de su coronación. Ricote, para salvar a su amo, aprovecha la llegada de un mensajero moro y hace creer al rey que el preso es el infante Suleimán, hijo rebelde del rey de Badajoz, con lo que logra aplazar la ejecución. Mientras tanto, Blanca llega a Burgos, es recibida como hermana del monarca y Alfonso decide casarla con don Diego Ordóñez de Lara. El amor, sin embargo, sigue actuando en secreto. Ricote recupera el retrato y, tras hablar con Blanca, le hace creer que su dueño es un príncipe gallego perseguido, explicación falsa con la que busca favorecer el encuentro de los enamorados. Esa misma noche Gonzalo, ayudado por su criado, habla con Blanca en una reja del jardín; ambos se declaran su amor, y ella, vencida por la pasión y por la fe que pone en el desconocido, abandona el palacio con él. Cuando el robo se descubre, Alfonso monta en cólera por la deshonra de su casa, don Diego se considera agraviado, y el rey ordena perseguir al raptor justo cuando también debe hacer frente a la amenaza militar de Baabdalí, rey moro de Badajoz, que ha puesto cerco a tierras extremeñas.
Huyendo de la corte, Gonzalo y Blanca se internan por tierras cercanas a Portugal y se confirman mutuamente su fidelidad; él le confiesa que no es príncipe, sino un caballero de noble sangre pero sin la grandeza que fingió, y Blanca insiste en que su amor no depende de la hacienda ni del rango. Su breve retiro se rompe cuando soldados de Baabdalí los sorprenden dormidos, apresan a Gonzalo atándolo a un árbol y conducen a Blanca cautiva a un castillo. Desesperado y casi enloquecido, Gonzalo sólo recobra el ánimo gracias a Ricote, que idea un nuevo engaño: disfrazados como mensajeros moros, ambos penetran en el castillo. Allí Baabdalí intenta forzar a Blanca y su propio hijo Suleimán se opone; Gonzalo irrumpe entonces, combate a los moros y desencadena una serie de muertes y liberaciones que permiten también rescatar a don Ramiro y a don Sancho, presos del enemigo. Al mismo tiempo, Alfonso acude con rapidez a socorrer Trujillo y derrota al ejército moro. Finalmente Gonzalo presenta al rey las cabezas de Baabdalí y de sus hijos como prueba decisiva de su servicio, mientras Blanca se acoge a la clemencia regia. La hazaña borra el delito anterior: Alfonso perdona al Caballero Sin Nombre, le concede armas nuevas con tres cabezas coronadas, le restituye públicamente el apellido llamándolo Altamirano y Cabezas, lo casa con Blanca, nombra a don Ramiro tenente de Trujillo, honra a don Sancho y hace de Gonzalo Adelantado de la frontera y conde de Medellín. La comedia concluye así con la transformación del caballero sin nombre en héroe reconocido por su valor, su linaje y su nuevo vínculo con la casa real.