汉元帝因后宫寂寞，听从毛延寿建议，让他到民间选美。王昭君美貌异常，但因不肯贿赂毛延寿，被他在美人图上点上破绽，因此入宫后独处冷宫。

汉元帝深夜偶然听到昭君弹琵琶，爱其美色，将她封为明妃，又要将毛延寿斩首。毛延寿逃至匈奴，将昭君画像献给呼韩邪单于，让他向汉王索要昭君为妻。元帝舍不得昭君和番，但满朝文武怯懦自私，无力抵挡匈奴大军入侵，昭君为免刀兵之灾自愿前往，元帝忍痛送行。

单于得到昭君后大喜，率兵北去，昭君不舍故国，在汉番交界的黑龙江里投水而死。单于为避免汉朝寻事，将毛延寿送还汉朝处治。汉元帝夜间梦见昭君而惊醒，又听到孤雁哀鸣，伤痛不已，后将毛延寿斩首以祭奠昭君。

一方面有利于揭示出产生爱情悲剧的社会根源，暴露封建王朝的腐败无能；另一方面又有利于激发当时生活在金、元之际的汉人，使之回顾南宋灭亡前后的痛苦经历，便于借他人杯中酒，浇自己胸中愁。

《汉宫秋》还别出心裁地把汉元帝作为全剧的主人公，并把发生这场爱情悲剧的根源，也归结到他的身上来。这一点，对于深化作品的主题，对于启发人们深入思考金元之际国内民族斗争的历史性变化，都具有极为重要的意义。