De Hypnerotomachie Poliphile vertelt het verhaal van de droom van Poliphilo ‘waarin de schrijver toont dat alle aardse zaken slechts ijdelheid zijn , en waarin hij verschillende nuttige en gedenkwaardige onderwerpen behandelt.’ De tongdraaiende ‘Hypnerotomachia’ vertaalt zich als de ‘De droom van Poliphile, verhalend hoe Amor hem bestrijdt vanwege Polia.

Naarmate het boek vordert, wordt de ontroostbare Poliphile gekweld door slapeloosheid terwijl hij denkt aan zijn onbeantwoorde liefde voor Polia. Eindelijk valt hij in slaap en wordt dan schijnbaar wakker in een donker bos waar zijn avonturen beginnen.
In een ietwat labyrintisch verhaal trekt hij door vele vreemde plekken waar hij draken, wolven en maagden tegenkomt, tegen een steeds veranderende achtergrond van mysterieuze ruïnes, monumenten, boomgaarden, tuinen en fonteinen.
Uiteindelijk ontmoet hij een nimf die lijkt op Polia en op wie hij verliefd wordt. Na triomfantelijke processies en verdere spectakels onthult de nimf dat ze in feite Polia is ‘van wie je zoveel houdt’. Na een ceremonie die lijkt op een huwelijk, gaan ze op jacht naar Cythera in de boot van Cupido.

Polia neemt vervolgens het verhaal over, vertelt hoe Poliphile verliefd op haar werd toen hij voor het eerst zag hoe ze haar haren kamde bij een raam in Treviso. Ze verwerpt niet alleen zijn avances, maar om een belofte te vervullen voor het overleven van de pest, wijdt ze zich aan een leven van eeuwige kuisheid.
Poliphile bezoekt haar stiekem bij de tempel van Diana, en wanneer hij in een dodelijke zwijmeling aan haar voeten valt, sleept ze zijn lichaam weg en verbergt het. Maar Cupido verschijnt haar in een visioen en dwingt haar terug te komen en Poliphile weer tot leven te brengen. Venus zegent hun liefde en de geliefden zijn eindelijk verenigd.