Сюжет оперы основан на исторических событиях – эпизоде гражданской войны в Риме (48-47 гг. до н.э). Юлий Цезарь нанёс поражение своему сопернику Помпею и преследовал его до Александрии, столицы Древнего Египта. Царством правили Клеопатра и её младший брат Птолемей, последние из династии, которая заняла трон после завоевания Египта Александром Македонским. Помпей обратился к Птолемею с просьбой о помощи и убежище.
Акт первый
Цезарь входит в Александрию со своими войсками с полководцем Курием во главе (хор Viva, viva il nostro Alcide!). Их встречают Корнелия и Секст, жена и сын Помпея, которые пришли молить о мире. Цезарь согласен примириться с врагом, но тут появляется Акилла, военачальник Птолемея, с приветствием римлянину и подарком от своего царя: отрубленной головой Помпея. Полный отвращения, Цезарь передаёт Птолемею гневное послание и угрожающее обещание, что он явится во дворец царя до наступления ночи (ария Empio, dirò, tu sei). Корнелия оплакивает свою потерю, а Секст клянётся отомстить за погибшего отца.
В александрийском дворце Клеопатра плетёт заговор с целью единолично править царством. Узнав от своего слуги Нирено, что Птолемей предал Помпея, она решается посетить Цезаря в его лагере, чтобы завоевать благосклонность и поддержку римлянина.
Однако прежде чем покинуть дворец, она успевает поссориться с Птолемеем.
Акилла сообщает Птолемею, с каким гневом Цезарь принял его подарок, и предлагает убить римлянина, если царь дарует ему в награду Корнелию. Птолемей страшится растущей под главенством Цезаря мощи Рима и соглашается (ария L’empio, sleale, indegno).
В своём лагере Цезарь проводит поминальные обряды по Помпею (речитатив Alma di gran Pompeo). Клеопатра представляется римлянину Лидией, служанкой во дворце, благородной по рождению, но лишённой всех прав Птолемеем. Очарованный ею, Цезарь обещает свою помощь (ария Non è sì vago e bello). Клеопатра и Нирено наблюдают, как Корнелия приносит последнюю дань уважения своему покойному мужу. Корнелия и Секст собираются убить Птолемея. Клеопатра, всё ещё неузнанная, выступает вперёд и обещает заговорщикам поддержку царицы Египта, а затем предлагает им услуги Нирено, который будет сопровождать их во дворце.
Встретившись с Птолемеем на переговорах, Цезарь холоден с ним, однако вежливо принимает приглашение царя быть его гостем (ария Va tacito e nascosto). Корнелия и Секст сталкиваются лицом к лицу с Птолемеем. Тот поражён красотой вдовы, но, когда Секст вызывает его на поединок, царь приказывает заключить обоих в тюрьму. Акилла предлагает Корнелии свободу в обмен на её благосклонность, но она с гневом отвергает его. Она и Секст с печалью прощаются, пока стража не разделяет их (дуэт Son nata a lagrimar… Son nato a sospirar).
Акт второй
С помощью Нирено Клеопатра устраивает празднества, чтобы ещё больше разжечь интерес Цезаря к ней (ария V’adoro, pupille). Придя во дворец, римлянин очарован её песней (ария Se in fiorito ameno parto). Нирено уверяет его, что «Лидия» тоже неравнодушна к нему и будет ждать его ночью в своих покоях.
Корнелия, теперь пленница Птолемея, оплакивает свою судьбу. Она снова отбивается от Акиллы – чтобы сразу же за тем подвергнуться ухаживаниям Птолемея. Она решается прервать свою жизнь, но спасена Секстом – он бежал из тюрьмы с помощью Нирено, который также принёс весть, что Птолемей приказывает Корнелии стать одной из его наложниц. Слуга Клеопатры предлагает план: он поможет Сексту проникнуть в гарем, где, лишённый охраны, царь будет особенно уязвим (ария L'angue offeso mai riposa).
Клеопатра ожидает Цезаря в своих покоях и притворяется спящей, когда он входит. Их свидание прервано Курием, который узнал, что люди Акиллы обыскивают дворец, намереваясь убить Цезаря. Клеопатра открывает Цезарю, кто она на самом деле, и просит его бежать, спасая свою жизнь. Тот отказывается и спешит встретиться с врагом. Клеопатра молит богов сберечь его ради любви, которую она теперь действительно испытывает к нему (ария Se pietà di me non senti).
Акт третий
Птолемей, ничего не опасающийся в своём гареме, отложил в сторону оружие. Он бросает Корнелии белый шарф в знак того, что она будет принадлежать ему этой ночью. Подкравшийся Секст пытается убить Птолемея его же собственным мечом, но обезоружен Акиллой, который затем призывает своего повелителя к войне: Цезарь, как они считают, погиб в сражении предыдущей ночью, но Клеопатра пришла в римский лагерь и повела армию на дворец. Птолемей готовится вести за собой свои войска и отказывает Акилле в назначенной за смерть Цезаря награде: Корнелия достанется только царю. Взбешённый Акилла принимает решение перейти на сторону Клеопатры.
Воины Птолемея победили, и Клеопатра попадает в плен. Её брат грозит ей страшной местью, но царица смело смотрит в лицо смерти (ария Piangerò la sorte mia). Цезарь, меж тем, не погиб: море выбросило его живым на берег. Вдали от своего войска он просит небо о помощи (ария Aure, deh, per pietà). Секст и Нирено натыкаются на раненого Акиллу, умирающего на берегу; тот вручает Сексту знак, которому подчинятся воины Акиллы. Все слышавший Цезарь после смерти Акиллы забирает знак у Секста и созывает войска на штурм дворца. Секст вновь надеется на победу и свершение мести.
Клеопатра в тюрьме готовится покончить с собой. Врывается Цезарь со своими воинами, вызволяет её и отправляет в порт, чтобы соединить войска и прекратить войну. Клеопатра ликует.
Птолемей верит в свою победу и не видит помех к тому, чтобы снова преследовать Корнелию, но Секст, воспользовавшись возможностью, наконец, убивает его. Битва выиграна, и Цезарь коронует Клеопатру единственной правительницей Египта. Царица объявляет о союзе с Римской империей. Все приветствуют наступивший мир.