Les Nuits du Cirque sont divisées en trois sections. Le premier volet se déroule à Londres en 1899, juste avant le début du siècle. Jack Walser, un jeune journaliste qui a beaucoup voyagé, interviewe Sophie Fevvers, une voltigeuse, initialement pour le Cirque d’Hiver, mais maintenant pour le Grand Imperial Tour du capitaine Kearney. L’interprète, qui ne s’appelle que Fevvers, est extraordinaire dans la mesure où elle prétend avoir de vraies ailes. Elle est grande, blonde, courbée et belle : « The Cockney Venus ». Élevée dans un bordel, Fevvers a des débuts dans la classe ouvrière et elle parle souvent d’une manière terre à terre, en utilisant un langage ridicule. Cependant, elle est également une auto-diadacte, ayant apparemment reçu une vaste éducation. Son langage est donc parfois assez noble, parsemé généreusement de vocabulaire sophistiqué et de références littéraires.
Le numéro de Fevvers consiste à « voler » jusqu’au trapèze où elle exécute un numéro de fil aérien. Elle mesure plus de six pieds, donc sa performance n’a pas la vitesse des autres actes de haute tension; cependant, les foules se rassemblent pour assister à son crochet : une envergure de six pieds. Même si elle prétend être une anomalie physique, elle défie ouvertement les autres de décider si ses affirmations farfelues sont vraies.
Walser, sceptique, décide de l’interroger et de découvrir par lui-même si elle est « une réalité ou une fiction ». Il prévoit de publier ses découvertes dans une série de journaux intitulée « Les grands imbéciles du monde ». Bien qu’il cherche à réfuter ses affirmations lors de son premier entretien, il devient enchanté alors qu’elle raconte son histoire.
Fevvers raconte à Walser qu’elle a été abandonnée sur les marches d’un bordel dans la coquille de l’œuf dont elle est issue. À la naissance, elle avait peu de bourgeons sur les épaules, mais, à l’âge de quatorze ans, des ailes lui ont poussé qui ont continué à se développer au fur et à mesure de sa croissance. Elle lui raconte des histoires farfelues sur son passé qu’il n’est pas sûr de pouvoir croire ; cependant, sa présence est enivrante et il a envie de croire tout ce qu’elle dit. Walser tombe amoureux de Fevvers et la suit alors qu’elle rejoint le cirque lors du « Grand Imperial Tour », qui se rend à Tokyo via la Russie ; suivi d’une énième tournée à travers les États-Unis.
La deuxième partie de l’histoire, qui se déroule à Saint-Pétersbourg, montre Walser travaillant comme clown dans un cirque pour se rapprocher de Fevvers, qui occupe la tête d’affiche et est la star du spectacle. Le public l’adore et elle reçoit de nombreuses invitations à dîner avec des hommes riches. Poussée par la cupidité, elle flirte avec eux pour obtenir de l’attention et des cadeaux. Cependant, comme elle prétend également être vierge, elle n’acceptera le flirt que dans une certaine mesure.
Le cirque subit de nombreux revers à Saint-Pétersbourg. Tout d’abord, un tigre attaque Walser. De plus, une liaison dans les rangs du cirque mène à une tragédie et Fevvers prend sous son aile proverbiale la femme Mignon, qui a été battue et expulsée par son mari. Fevvers trouve non seulement à Mignon une nouvelle place dans le cirque, mais aussi un nouvel amant inattendu.
Fevvers, réalisant que Walser a rejoint le cirque pour être près d’elle, réalise peu à peu qu’elle a des sentiments grandissants pour lui ; Pourtant, elle a été élevée dans une méfiance envers l’amour et une horreur du mariage, et ses sentiments pour l’argent sont bien plus forts. Lors de leur dernière nuit à Saint-Pétersbourg, le cirque perd le chef de la troupe de clowns à cause de la folie. De plus, la tigresse attaque Mignon et doit être abattue, et le numéro de singe déserte le cirque pour quelque chose de mieux. Fevvers est presque perdue car, poursuivant sa cupidité, elle se met dans une situation dangereuse avec un homme qui trouve ses ailes fascinantes et veut la garder pour sa collection. Elle s’échappe, mais son sentiment d’invulnérabilité est perdu. Son amour de l’argent perd également de son éclat.
Dans la troisième partie, la troupe traverse la Sibérie en direction de Tokyo. Le train dans lequel ils voyagent déraille, tuant de nombreux animaux à bord et laissant la troupe bloquée dans la nature. C’est un paysage froid et désolé. Bien que Fevvers le recherche frénétiquement, Walser reste introuvable. Fevvers et les autres survivants du cirque sont bientôt pris en otage par des hors-la-loi qui, en raison de renseignements erronés, croient que Fevvers peut les aider à retourner dans leurs familles en plaidant leur cause auprès de la reine d’Angleterre : un parent du tsar de Russie. Malheureusement, Fevvers ne peut pas les aider et elle et les survivants doivent planifier leur évasion. Pendant ce temps, Walser est retrouvé par des prisonniers évadés qui fouillent l’épave du train. Touché à la tête et atteint d’amnésie, il s’égare dans les bois et est recueilli par le chaman d’un village tribal.
Fevvers et les autres survivants entreprirent de retourner à l’épave du train, mais se retrouvèrent dans une maison au bord d’une rivière au milieu de la nature. Là, ils trouvent le Maestro. Il les aide à survivre, et Mignon et son amant, en retour, l’aident à se redécouvrir et à retrouver ses rêves. Pendant ce temps, Fevvers s’inquiète pour Walser, même si elle écrit toujours sur ses sentiments pour lui comme étant de nature purement physique. Elle a entendu des rumeurs selon lesquelles il est vivant et envisage de le retrouver. Elle et Lizzie, sa mère adoptive et compagne constante, partent dans la nature pour retrouver l’amour perdu de Fevvers, car elle a réalisé que l’amour est plus important que l’argent.
Les femmes retrouvent Walser dans le village tribal où il retrouve lentement la mémoire. La présence de Fevvers accélère son rétablissement et les deux peuvent enfin être ensemble. La question de savoir si son histoire est une réalité ou une fiction est laissée au lecteur de décider.