En Jerusalüen, en el templo de Salomón, el pueblo hebreo implora la protección de su Dios contra la invasión asiria dirigida por Nabucco, rey de Babilonia. El sumo sacerdote Zaccaria les insta a luchar y les dice que tiene cautiva a Fenena, hija de Nabucco, a la que pretende utilizar para restablecer la paz. lsmaele, sobrino del rey de Jerusalén, llega con noticias desastrosas: las tropas enemigas han ganado más terreno. Pero Zaccaria sigue confiando. Entrega Fenena a lsmaele antes de partir, a la cabeza de los hebreos, para defender el templo. Al quedarse solos, Ismaele y Fenena ya no tienen que ocultar sus tiernos sentimientos. Él le recuerda cómo le ayudó a escapar de una prisión babilónica cuando era emisario de la corte de Nabucco, y ahora quiere devolverle el favor y huir con ella. Son interrumpidos por Abigaille, la hermana de Fenena, que le comunica que Jerusalén ha caído y los hebreos están derrotados. Abigaille, también enamorada de lsmaele, le ofrece salvar a su pueblo si le entrega su corazón. lsmaele se niega y Fenena, abrumada por semejante heroísmo, se convierte intempestivamente al Dios de los hebreos.

El pueblo regresa preso del pánico, precediendo a un triunfante Nabucco. Acorralado, Zaccaria amenaza con ejecutar a Fenena. Pero es Ismaele quien se interpone entre ella y el cuchillo y salva a su amada. La cólera de Nabucco puede entonces desatarse: ordena la destrucción del templo y la esclavización de los hebreos, mientras Zaccaria maldice a lsmaele por traicionar a su pueblo.

En el palacio real de Babilonia, Abigaille descubre un documento que prueba que no es realmente hija de Nabucco, sino hija de esclavos. El sumo sacerdote de Baal entra e informa a Abigaille de que Fenena está a punto de liberar a los esclavos hebreos. Es, pues, el momento de acelerar el plan que pondrá a Abigaille en el trono. Para ello, ya ha hecho correr el rumor de la muerte de Nabucco en un campo de batalla. En otro lugar del palacio, Zaccaria suplica a Dios que le inspire para liberar a su pueblo, mientras lsmaele, proscrito entre los suyos, debe responder de su traición. lsmaele es justificado por Anna, la hermana de Zaccaria: Fenena se ha convertido al Dios de los hebreos, lsmaele no ha salvado a un enemigo, sino a uno de los suyos. Abdallo, el fiel oficial de Nabucco, insta a Fenena a huir. El rumor de la muerte del rey ha llevado a los babilonios a unirse en torno a Abigaille, apoyada por el Sumo Sacerdote. Esta se niega a devolver la corona a Fenena cuando aparece Nabucco y declara airadamente que, a partir de ahora, no tolerará ni al Dios de los hebreos ni a los de los babilonios: todos deben venerarle solo a él. También condena a muerte a los hebreos, lo que lleva a Fenena a revelar su conversión. Un rayo cae sobre Nabucco, le arranca la corona de la cabeza y lo vuelve loco. Nabucco clama por un castigo divino y Abigaille se apodera de la corona.

En los Jardines Colgantes de Babilonia, Abigaille se sienta en su trono junto a la estatua del dios Baal y recibe los tributos de sus súbditos. El Sumo Sacerdote le pide que acelere la matanza de los hebreos y de Fenena. Abigaille finge vacilar, cuando entra Nabucco, desorientado, con barba desgreñada y ropas andrajosas. Abigaille lo trata con desprecio y luego le dice que firme el acta de condena. Nabucco firma, pero pregunta por el destino de su hija. Abigaille le responde que nadie puede salvar a Fenena, lo que lleva a Nabucco a amenazarla con revelar su condición de esclava mediante un documento. Pero Abigaille lo hace pedazos ante los ojos de Nabucco mientras suenan las trompetas que anuncian la inminente ejecución de los hebreos. Nabucco intenta por última vez salvar a Fenena, ofreciendo a Abigaille el trono a cambio de la vida de su hija. Pero la nueva reina se niega desdeñosamente y manda arrestar a esta “sombra de rey”.

A orillas del Éufrates, los hebreos esclavizados y encadenados cantan a su patria perdida, que visitan pensativos a falta de poder regresar a ella. Pero Zaccaria les insta a dejar de lamentarse y a levantarse de nuevo. Profetiza que sus enemigos pronto experimentarán la furia del León de Judá y que Babilonia será destruida hasta la última piedra.

En palacio, Nabucco es despertado de una pesadilla por unos gritos que interpreta como una llamada a la guerra. Prisionero e impotente, Nabucco se dirige al Dios de los hebreos y le pide perdón. Si salva a su hija Fenena, le reconocerá como el verdadero Dios y reconstruirá el templo de Jerusalén. La llegada milagrosa de Abdallo, viendo que el rey ha recobrado la cordura, le cede su espada y junto con una tropa de soldados se declara dispuesto a ayudarlo a reconquistar el trono.

En los jardines, los hebreos se preparan para ser sacrificados al son de una marcha fúnebre. Mientras Zaccaria representa el martirio a Fenena como el final de su exilio y el Sumo Sacerdote está a punto de comenzar el sacrificio, Nabucco irrumpe a la cabeza de sus tropas. La estatua del ídolo de Baal cae y se hace añicos. Nabucco anuncia que libera a los hebreos, que el templo de Jerusalén será reconstruido. Abigaille, con la mente perturbada, se envenena, piide perdón a Fenena, lsmaele y Nabucco, implora al Dios que “levanta a los afligidos” y se convierte a Él antes de exhalar su último suspiro. Zaccaria declara entonces que Nabucco, sirviendo a Jehová, será Rey de Reyes.